DE3308404C2

DE3308404C2 - Vorrichtung zur Messung einer Relativverschiebung

Info

Publication number: DE3308404C2
Application number: DE3308404A
Authority: DE
Inventors: Shigekazu Ageo Saitama Nakamura
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 1982-03-10
Filing date: 1983-03-09
Publication date: 1985-06-05
Also published as: DE3308404A1; US4616281A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung bzw. Messung einer Relativverschiebung zwischen einem Magnet-Meßfühler mit vier Magnet-Widerstandselementen (23a, 23b, 24a, 24b) und einem magnetischen Aufzeichnungsträger (20) mit mindestens einer Magnetspur (21a, 21b), auf welcher ein Magnetisierungsmuster mit einem vorgegebenen Teilungsabstand (P) vorgesehen ist. Erstes und zweites Magnet-Widerstandselement (23a, 24a) sowie drittes und viertes Magnet-Widerstandselement (23b, 24b) sind jeweils unter Zwischenfügung einer Isolierschicht (25a, 25b) nebeneinander und senkrecht zur Verlaufsrichtung des Magnetisierungsmusters angeordnet. Erstes und drittes Magnet-Widerstandselement (23a, 23b) sowie zweites und viertes Magnet-Widerstandselement (24a, 24b) sind jeweils gegeneinander magnetisch vorgespannt bzw. vormagnetisiert. Die vier Magnet-Widerstandselemente (23a, 23b, 24a, 24b) sind in eine Brückenschaltung oder Meßbrücke geschaltet, deren Diagonalpunkte mit positivem und negativem Eingang eines Differentialverstärkers verbunden sind. Der Differentialverstärker liefert als Differential-Ausgangssignal ein Meßausgangssignal, welches die erfaßte Verschiebung angibt.

Description

Es ist außerdem ein Drehkodierer bzw. Drehwinkelgeber bekannt, bei dem ein Magnetsignal in Form eines Magnetisierungsmusters einer konstanten Bitlänge, das auf einem magnetischen Aufzeichnungsträger auf einer Scheibe oder einem Zylinder, der bzw. die um eine Welle drehbar ist, aufgezeichnet ist mittels eines magnetischen Meßfühlers abgetastet wird, der ein Magnet-Widerstandselement aus ferromagnetischem Werkstoff, v/ie 81% Ni- 19% Fe-Legierung (Permalloy) zum Abgreifen des Drehwinkels der Welle aufweist Bei einem solchen Drehwinkelgeber kann der Magnetmeßfühler im Prinzip ein einziges Magnet-Widerstandselement aufweisen. Um jedoch eine große, nicht durch Drift infolge von Temperaturschwankung beeinflußte Ausgangsspannung zu liefern, werden üblicherweise mehrere solche Widerstandselemente, differential geschaltet, verwendet. Beispielsweise beschreibt die JP-OS 1 15 257/79 einen Winkeldetektor bzw. -geber mit zwei Magnet-Widerstandselementen, die in einem Abstand entsprechend einem ganzzahlngen Vielfachen des Teilungsabstands eines auf einem magnetischen Aufzeichnungsträger aufgezeichneten Magnetisierungsmusters voneinander angeordnet sind, um mittels eines Differenzverstärkers eine Differenz zwischen den Ausgangssignalen dieser Elemente abzuleiten. In der JP-Zeitschrift »Nikkei Electronics«, 22. Juni 1981, S. 88, ist ebenfalls ein Winkelgeber beschrieben, bei dem zwei Magnetmeßfühler mit je vier Magnet-Widerstandselementen AX-A4; BX-BA vorgesehen sind (vgl. Fig. 1). Die Magnet-Widerstandselemente jedes Magnetmeßfühlers sind vom jeweils anderen Element um eine Strecke entsprechend der Hälfte des Teilungsabstands P eines Magnetisierungsmusters auf einem magnetischen Aufzeichnungsträger M entfernt, und die Widerstandselemente A X — A4 sind gegenüber den Elementen Bi-B4 um P/4 versetzt angeordnet. Gemäß Fig. 2 sind die Widerstandselemente AX-A4 und BX-B4 in Brückenschaltungen geschaltet, wobei die Spannungsunterschiede an diagonalen Punkten der Brückenschaltungen durch Differenzverstärker DA X bzw. DA 2 abgenommen werden. Die Ausgangssignale der Differenzverstärker DA X und DA 2 werden dann durch eine Signalverarbeitungsschaltung zweckmäßig verarbeitet, um ein den Drehwinkel sowie die Drehrichtung angebendes Meßausgangssignal zu liefern. Mittels eines solchen Differenzsystems kann ein Meßausgangssignal großer Amplitude erhalten und der Einfluß von Drift infolge von Temperaturschwankung ausgeschaltet werden. Bei den bisherigen Winkelgebern müssen jedoch mehrere Magnet-Widerstandselemente in Verschiebungsrichtung in einem gegenseitigen Abstand entsprechend einem ganzzahligen Vielfachen des Magnetisierungsmuster-Teilungsabstands bzw. seines Reziprokwerts angeordnet sein. Bei Verwendung verschiedener Aufzeichnungsträger mit Magnetisierungsmustern unterschiedlicher Teilungsabstände müssen verschiedene Arten von Magnet-Meßfühlern vorgesehen werden, bei denen die Magnet-Widerstandselemente auf verschiedene, den jeweiligen Teilungsabständen entsprechende Abstände verteilt sind; hierdurch wird der Konstruktionsfreiheitsgrad entsprechend eingeschränkt. Wenn außerdem der Aufzeichnungsträger auf einer Außenfläche eines zylindrischen Körpers angeordnet ist und mehrere Widerstandselemente auf einem flachen Substrat bzw. Träger vorgesehen sind, sind die Abstände zwischen den einzelnen Widerstandselementen und dem Aufzeichnungsträger jeweils verschieden, so daß die Amplituden der Ausgangssignale dieser Elemente schwanken und damit ein Fehler in das Differenzausgangssignal eingeführt werden kann. Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde bereits vorgeschlagen, die Breiten der jeweiligen Magnet-Widerstandselemente zu ändern (vgL JP-OS 35 011/81). Die Herstellung von Magnet-Widerstandselementen unterschiedlicher Breite erweist sich jedoch als schwierig. Bei Änderung der Abstände zwischen den Widerstandselementen und dem Aufzeichnungsträger müssen außerdem erstere unterschiedliche Breiten entsprechend den geänderten Abständen besitzen, wodurch die vielseitige Verwendbarkeit eines solchen Magnet-Meßfühlers verlorengeht Da bei den bisherigen Drehwinkelgebern die Magnet-Widerstandselemente in Richtung des Magnetisierungsmusters voneinander beabstandet sind, erhält der Meßfühler entsprechend große Abmessungen, was sich auch auf die Abmessungen des gesamten Drehwinkelgebers auswirkt
Bei einem Verschiebungs- bzw. Wegdetektor mit einer Anzahl von Magnet-Widerstandselementen ist es weiter bekannt, eine Vormagnetisierung für die Widerstandselemente vorzusehen. Beispielsweise ist es aus der JP-AS 37 204/78 bekannt, je ein Magnet-Widerstandselement auf den betreffenden Seiten einer Isolierschicht anzuordnen und eines der Widerstandselemente mittels eines Magnetfelds vorzumagnetisieren, das durch einen durch das andere Widerstandselement fließenden Treiberstrom erzeugt wird, oder umgekehrt. Im folgenden wird diese Vormagnetisierung als primäres Gegenvormagnetisierungssystem bezeichnet. Die JP-AS 37 205/78 beschreibt ein anderes Vormagnetisierungsverfahren, bei dem ein Magnetfeld, das durch einen das eine Magnet-Widerstandselement durchfließenden Treiberstrom erzeugt wird, an das andere Wider-Standselement angelegt wird und eine Komponente der Magnetisierung im anderen Magnet-Widerstandselement ein umgekehrtes bzw. Gegen-Magnetfeld erzeugt, welches das erste Magnet-Widerstandselement als Vormagnetisierungsfeld beaufschlagt. Diese Vormagnetisierungsart wird als sekundäres Gegenvormagnetisierungssystem bezeichnet. Fig. 3 ist ein Schaltbild des in der genannten JP-AS 37 204/78 beschriebenen Magnet-Detektors bzw. -Meßfühlers. Dabei sind zwei Magnet-Widerstandselemente MR\ und MR.2 auf beiden Seiten einer Isolierschicht angeordnet und parallel zueinander zwischen eine Konstantstromquelle CCS und Masse eingeschaltet, wobei die Verbindungspunkte zwischen den beiden Widerstandselementen MR\ und MR2 einerseits und der Konstantstromquelle CCSandererseits mit den Eingängen eines Differenzverstärkers DA zur Ableitung einer Differenz zwischen den Spannungen an den Verbindungspunkten verbunden sind.

Ein solcher Magnet-Meßfühler des Gegenvormagnetisierungstyps wird in der Weise gebildet, daß auf ein isolierendes Substrat das erste Magnet-Widerstandselement MRi, die Isolierschicht und das zweite Magnet-Widerstandselement MR2 nacheinander in der angegebenen Reihenfolge aufgebracht werden. Zur Lieferung eines stabilen Ausgangssignals ist es wesentlich, daß die beiden Widerstandselemente gleiche magnetische Eigenschaften besitzen. In einem typischen Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnet-Meßfühlers werden zunächst eine erste Magnet-Widerstandsschicht oder -folie und eine Leiterschicht bzw. -folie auf das Substrat aufgebracht, worauf diese Schichten bzw. Folien durch Fotoätzen zur Ausbildung des ersten Magnet-Widerstandselements mit einem vorgegebenen Leitermuster zu einem vorgegebenen Muster geformt werden. An-

schließend wird die isolierschicht aufgetragen, worauf weiterhin eine zweite Magnet-Widerstandsschicht und eine zweite Leiterschicht nacheinander ?.uf die Isolierschicht aufgebracht werden. Schließlich werden die zweite Magnetwiderstandsschicht und die zweite Leiterschicht durch Fotoätzen einer vorgegebenen Musterbildung unterworfen, um das zweite Magnet-Widerstandselement MR.2 mit einem vorgegebenen Leitermuster auszubilden. Da bei diesem Herstellungsverfahren die beiden Magnet-Widerstandselemente MR\ und Λ//?2 durch verschiedene Magnetwiderstandsschichten oder -folien gebildet werden, ist es ziemlich schwierig, ihre verschiedenen Eigenschaften, wie Dicke, spezifischer Widerstand, Widerstands-Temperaturkoeffizient und Formkoeffizient, einander gleich auszulegen. Da die beiden Widerstandselemente zudem in getrennten Musterbiidungsschritten geformt werden, können ihre Abmessungen voneinander verschieden sein. Beim bisherigen Magnet-Meßfühler besitzen daher die beiden Magnet-Widerstandselemente unterschiedliche magnetische Eigenschaften, so daß bei einem Null-Magnetfeld eine unausgeglichene Ausgangsspannung erzeugt werden kann und außerdem diese Ausgangsspannung eine Drift aufgrund von Temperaturänderung oder -Schwankung unterworfen sein kann.

Aus der GB-OS 20 16 144 ist ein magnetischer Rotationskodierer zum Erfassen der Absolutwerte von Winkelverschiebungen mit einem magnetischen Aufzeichnungsträger mit fünf Magnetspuren 21—25 bekannt. Auf diesen Magnetspuren sind Magnetisierungsmuster aus jeweils entgegengesetzt magnetisierten Bereichen aufgezeichnet. Unterhalb des Rotationskodierers liegt ein Magnet-Meßfühler, mit dem das durch das Magnetisierungsmuster erzeugte Magnetfeld erfaßt werden kann. Der Magnet-Meßfühler besteht aus Magnet-Widerstandselementen, die auch gegeneinander versetzt sein können. Bei diesem bekannten Rotationskodierer ist jeweils ein Magnet-Widerstandselement einer der Magnetspuren zugeordnet, so daß — abhängig von den Längen der einzelnen Bereiche der Magnetisierungsmuster der Magnetspuren — Signale unterschiedlicher Frequenzen erhalten werden, die jeweils die Drehung einer Trommel um einen Winkel angeben. Es werden also bei diesem Rotationskodierer mehrere Signale unterschiedlicher Frequenz erzeugt, die keinesfalls immer eine Phasendifferenz von 180° aufweisen. Diese Signale werden sodann über Leitungen in einen Detektor mit Ausgangsanschlüssen eingespeist.

Damit soll ein verbesserter Magnet-Rotationskodierer geschaffen werden, der genau und zuverlässig den Absolutwert einer Winkeldrehung und einer Winkelgeschwindigkeit pinpr Wpüp 71.1 erfassen vermag und Hahpi zuverlässig hergestellt und eingebaut werden kann.

Dagegen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erfassung bzw. Messung einer Relatiwerschiebung zwischen einem magnetischen Aufzeichnungsträger und einem Magnet-Meßfühler anzugeben, mit der für verschiedene Magnetisierungsmuster ein Differenz-Ausgangssignal erzeugt werden kann, ohne daß die Magnet-Widerstandselemente in Richtung der Magnetisierungsmuster auf Abstand voneinander angeordnet zu sein brauchen.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnenden Teil enthaltenen b5 Merkmale gelöst

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 14.

Bei der Erfindung sind also mehrere Magnet-Widerstandselemente für jede Magnetspur bzw. jedes Magnetisierungsmuster vorgesehen, um so Ausgangssignale mit gleicher Frequenz und voneinander um 180° verschobener Phase zu erzeugen, aus denen mittels des Differenzverstärkers ein die Relativverschiebung angebendes Meß-Ausgangssignal gewonnen werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist sehr kleine Abmessungen auf und vermag ein Differenz-Ausgangssignal stabil bzw. sicher und genau zu liefern. Die Magnet-Widerstandselemente können unterschiedliche magnetische Eigenschaften, wie Dicke, spezifischer Widerstand und Widerstands-Temperaturkoeffizient besitzen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Darstellung eines bisherigen Magnet-Meßfühlers,

F i g. 2 ein Schaltbild eines bisherigen Verschiebungsbzw. Wegdetektors mit dem Magnet-Meßfühler gemäß Fig. 1.

Fig.3 ein Schaltbild eines bisherigen Magnet-Meßfühlers mit Anwendung des Gegenvormagnetisierungssystems,

F i g. 4 eine (schematische) Aufsicht auf eine Vorrichtung zur Erfassung einer Relativverschiebung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 5 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderung der Magnet-Widerstandselemente gemäß F i g. 4,

Fig.6 eine graphische Darstellung der Wellenform eines Meßausgangssignals des Meßfühlers gemäß F i g. 4,

F i g. 7 eine perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 8 ein Schaltbild der Vorrichtung gemäß F i g. 7,

F i g. 9 und 10 (schematische) Aufsichten auf einen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt verwendeten magnetischen Aufzeichnungsträger,

Fig. 11 eine (schemaiische) Aufsicht auf noch eine andere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12 einen im vergrößerten Maßstab gehaltenen Schnitt längs der Linie A-A in F i g. 11,

F i g. 13A und 13B Schnitte längs der Linien A-A bzw. ß-ßinFig. 12,

Fig. 14 Wellenformdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung nach F i g. 11,

F i g. 15 ein Schaltbild der Vorrichtung nach F i g. 11,

Fig. 16 ein Wellenformdiagramm eines Meßausgangssignals der Vorrichtung nach Fig. 11-

Fig. 17 eine perspektivische Darstellung noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 18 ein Schaltbild der Vorrichtung nach F i g. 17,

F i g. 19 und 20 (schematische) Aufsichten auf weitere Beispiele für bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt verwendete magnetische Aufzeichnungsträger,

Fig.21A, 21B und 21C eine Aufsicht, eine perspektivische Darstellung bzw. ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 22, 24, 26, 27, 29. 30 und 32 Schnitiansichten zur Veranschaulichung aufeinanderfolgender Verfahrensschritte bei der Herstellung des Magnet-Meßfühlers gemäß F ig. 21A,

F i g. 23,25,28 und 31 Aufsichten auf Fotomasken zur Verwendung beim Herstellungsverfahren,

F i g. 33 eine Aufsicht auf noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung des Magnet-Meßfühlers gemäß F i g. 21A, F i g. 34 ein Schaltbild der Vorrichtung nach F i g. 33, F i g. 35 eine (schematische) Aufsicht zur Veranschaulichung der Anordnung der Vorrichtung nach Fig.33 über einen magnetischen Aufzeichnungsträger und

Fig.36 und 37 Schaltbilder abgewandelter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Magnet-Meßfühlers.

Die Fig. 1 bis 3 sind eingangs bereits erläutert worden.

Bei der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist ein magnetischer Aufzeichnungsträger 10 zwei Aufzeichnungs-Spuren 11a und 116 auf, auf denen Magnetisierungsmuster in der Weise aufgezeichnet sind, daß sie jeweils um einen halben Teilungsabstand P (des Magnetisierungsmusters) relativ zueinander verschoben sind. In Gegenüberstellung zu den Magnetisierungs-Spuren lla und 116 befinden sich zwei ferromagnetische Magnet-Widerstandselemente 12a und \2b. die senkrecht zur Erstreckungsrichtung (Pfeil D) der Spuren 11 a und 11 b bzw. senkrecht zur Bewegungsrichtung zwischen Spuren und Magnet-Widerstandselementen angeordnet sind.

Wenn sich der magnetische Aufzeichnungsträger 10 in der Richtung D verschiebt, ändern sich die an den beiden Magnet-Widerstandselementen 12a und 120 anliegenden Magnetfelder, so daß sich ihre Widerstandswerte R auf die durch die Kurven 13a bzw. 136 in F i g. 5 gezeigte Weise ändern. Wie aus F i g. 5 hervorgeht, ändern sich die Widerstandswerte phasenmäßig entgegengesetzt zueinander. Wenn daher die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen der beiden Widerstandselemente 12a und t2b ermittelt wird, kann eine durch die Kurve 14 in F i g. 6 dargestellte Differential-Ausgangsspannung erhalten werden. Da bei der dargestellten Ausführungsform die beiden Widerstandselemente 12a und 126 senkrecht zur Verlaufsrichtung des Magnetisierungsmusters angeordnet sind, ist die Erfassung (der Verschiebung) nicht mehr vom Teilungsabstand P des Magnetisierungsmusters abhängig, so daß die Verschiebungs- oder Weg-Meßvorrichtung für verschiedene Magnetisierungsmuster unterschiedlicher Teilungsabstände verwendbar ist.

Bei der in F i g. 7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung befinden sich auf einem magnetischen Aufzeichnungsträger 20 zwei Magnetisierungsmuster-Spuren 21a und 2t b, die in der Richtung D jeweils um einen halben Muster-Teilungsabstand P gegeneinander versetzt sind. Über dem Aufzeichnungsträger 20 befinden sich ein isolierendes Substrat 22. das sich senkrecht zur Richtung D sowie zur Ebene des Aufzeichnungsträgers 20 erstreckt, und vier am Substrat 22 angeordnete Magnet- Widerstandselemente 23a, 236, 24a und 246. Die Widerstandselemente 23a und 24a sind dabei über der ersten Magnetisierungsmuster-Spur 21a angeordnet, wobei eine Isolierungsschicht 25a zwischen die Widerstandselemente 23a und 24a eingefügt ist. Die Widerstandselemente 236 und 246 sind mit einer zwischen ihnen angeordneten Isolierschicht 256 über der zweiten Spur 216 angeordnet In F i g. 7 sind die Widerstandselemente und die Isolierschichten aus Darstellungsgründen mit großer Dicke veranschaulicht, in der Praxis sind sie jedoch sehr dünn. Die vier Magnet-Widerstandselemente 23a, 236, 24a und 246 sind in eine Brückenschaltung bzw. Meßbrücke gemäß F i g. 8 eingeschaltet Eine Verzweigung bzw. ein Verbindungspunkt zwischen den Magnet-Widerstandselementen 23a und 246 ist mit einer positiven Stromquelle +£ verbunden, während ein Verbindungspunkt der Widerstandselemente 236 und 24a an eine negative Stromquelle — E, ein Verbindungspunkt zwischen den Widerstandselementen 23a und 236 an den negativen bzw. Minus-Eingang eines Differentialverstärkers 26 und ein Verbindungspunkt zwischen den Widerstandselementen 24a und 246 an den positiven bzw. Plus-Eingang des Differentialverstärkers 26 angeschlossen sind. Aufgrund dieser Anordnung wird an einer Ausgangsklemme 27 eine Differential-Ausgangsspannung erhalten. Während die Widerstandselemente 23a, 236,24a und 246 bei der dargestellten Ausführungsform senkrecht zur Ebene des magnetischen Aufzeichnungsträgers 20 angeordnet sind, können sich auch, wie bei der Ausführungsform nach F i g 4, parallel zu dieser Ebene angeordnet sein.

Bei der Weg-Meßvorrichtung gemäß F i g. 7 kann das Substrat 22 aus Glas bestehen; die Magnet-Wider-Standselemente 23a, 236, 24a. 246 können aus Folien oder Schichten aus Fe-Ni-Legierung (Permalloy) einer Dicke von etwa 50 nm bestehen, und die Isolierschichten 25a und 256 können aus einer Isolierfolie oder -schicht aus SiOj einer Dicke von etwa 100 bis 200 nm hergestellt sein. Diese Schichten können einfach aufgedampft sein. In diesem Fall ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr einfach und kostensparend herstellbar.

Da die Magnet-Widerstandselemente erfindungsgemaß senkrecht zur Bewegungsrichtung D angeordnet sind, kann ein magnetischer Aufzeichnungsträger mit einem Magnetisierungsmusier verschiedener oder variierender Teilungsabstände verwendet werden. Ein Beispiel für einen solchen Aufzeichnungsträger ist in F i g. 9 dargestellt. Dabei weist der magnetische Aufzeichnungsträger 30 zwei Aufzeichnungs-Spuren 31a und 316 auf, auf denen Magnetisierungsmuster unterschiedlicher Teilungsabstände bzw. Längen /Ί. Pj, Pi... aufgezeichnet sind. Längs der Spuren 31a und 326 sind die beiden Magnetisierungsmuster um eine einem halben Teilungsabstand bzw. einer halben Länge entsprechende Strekke gegeneinander versetzt. Bei dem in Fig. 10 dargestellten Beispiel weist ein magnetischer Aufzeichnungsträger 40 zwei Aufzeichnungsspuren 41a und 416 auf, auf denen Magnetisierungsmuster sich fortlaufend ändernder Teilungsabstände aufgezeichnet sind. In diesem Fall sind die Magnetisierungsmuster ebenfalls (in den beiden Spuren) um jeweils einen halben Teilungsabstand gegeneinander versetzt. Beim bisherigen Magnet-Meßfühler können diese magnetischen Aufzeichnungsträger gemäß Fig.9 und 10 in keinem Fall verwendet werden. Im Fall einer Änderung der Meßgenauigkeit während der Verschiebung oder Bewegung ist die Verwendung eines solchen magnetischen Aufzeichnungsträgers sehr vorteilhaft.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind die senkrecht zur Verlaufsrichtung des Magnetisierungsmusters angeordneten Magnet-Widerstandselemente nicht magnetisch vorgespannt bzw. vormagnetisiert, vielmehr wird ein Differentialausgangssignal aufgrund der Anordnung der beiden Magnetspuren erhalten, in denen die Magnetisierungsmuster mit einer Phasenverschiebung von 180° aufgezeichnet sind. Bei im folgenden noch zu beschreibenden Ausführungsformen der Erfindung wird eine einzige Magnetspur vorgesehen, über welcher mindestens zwei Magnet-Widerstandselemente senkrecht zu dem in der Magnetspur aufgezeichneten Magnetisierungsmuster angeordnet sind, um ein

Differential-Ausgangssignal zu liefern. Zu diesem Zweck sind diese Widerstandselemente in entgegengesetzte Richtungen magnetisch vorgespannt, d. h. vormagnetisiert.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 sind zwei Magnet-Widerstandselemente in entgegengesetzten Richtungen vormagnetisiert. Ein magnetischer Aufzeichnungsträger 50, auf dem ein Magnetisierungsmuster mit einem vorgegebenen Teilungsabstand P aufgezeichnet ist, ist an einem Element befestigt, dessen Verschiebung gemessen werden soll. Über dem Aufzeichnungsträger 50 ist ein Magnet-Meßfühler 51 angeordnet. Wie am besten aus F i g. 12 hervorgeht, umfaßt der Magnet-Meßfühler 5t ein isolierendes Substrat 52 und zwei ans ferromagnetischem Werkstoff bestehende Magnet-Widerstandselemente 53a und 536, die senkrecht zur Verlaufrichtung des Magnetisierungsmusters auf dem Aufzeichnungsträger 50, d. h. senkrecht zur Verschiebungs- oder Bewegungsrichtung (Pfeil D) ausgerichtet sind. Zur Vormagnetisierung der Magnet-Widerstandselemente 53a und 536 weist bei dieser Ausführungsform der Magnet-Meßfühler 51 weiterhin auf die Widerstandselemente 53a und 53£> aufgetragene Isolierschichten 54a bzw. 54ö sowie auf letztere aufgewogene Leiterschichten 55a bzw. 556 auf. Die Leiterschichten 55a und 556 sind so an eine Gleichspannungsquelle 56 angeschlossen, daß ein Vorspannungs- bzw. Vormagnetisierungsstrom auf die durch die Pfeile in F i g. 12 angedeutete Weise in entgegengesetzten Richtungen durch Magnet-Widerstandselemente 53a und 536 fließt Da in der ersten Leiterschicht 55a der Strom gegenüber der Zeichnungsebene von Fig. 13A in Rückwärtsrichtung fließt, wird um die Leiterschicht 55a herum ein im Uhrzeigersinn verlaufendes Vormagnctisierungsfeld erzeugt. Das Magnet-Widerstandselement 53a wird daher gemäß Fig. 13A nach links vormagnetisierv. In der Leiterschicht 55ö fließt dagegen der Strom in bezug auf die Zeichnungsebene von F i g. 13B in Vorwärtsrichtung, so daß um die Leiterschicht 556 herum ein Vormagnetisie rungsfeld in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn erzeugt wird und daher das Magnet-Widerstandselement 536 gemäß Fig. 13B nach rechts vormagnetisiert ist. Die beiden Widerstandselemente 55a und 556 sind infolgedessen in entgegengesetzte Richtungen vormagnetis'eri.

Die Kurven 57a und 576 gemäß F i g. 14 veranschaulichen an der. Magnet-Widerstandselementen 53a bzw. 536 anliegende Magnetfelder, die aus den Vormagnetisierungsfeldern ± //flund Magnetfeldern infolge des auf dem Aufzeichnungsträger 50 aufgezeichneten Magnetmusters zusammengesetzt sind. Die Widerstandswerte R der Widerstandselemente 53a und 536 ändern sich dabei auf die durch die Kurven 58a bzw. 586 gezeigte Weise. Bevorzugt sind die Größen der Vormagnetisierungsfelder ± Hb so gewählt, daß die Arbeitspunkte der Magnet-Widerstandselemente 53a und 536 praktisch auf den Mittelpunkten von einander gegenüberliegenden linearen Abschnitten der Magnet-Widerstands-Kennlinien der Widerstandselemente 53a bzw. 536 liegen. Wie durch die Kurven 58a und 586 veranschaulicht, ändern sich die Widerstandswerte R der Widerstandselemente 53a und 536 gegenphasig. Wenn daher die Widerstandselemente 53a und 536 miteinander in Reihe geschaltet sind und die Reihenschaltung gemäß F i g. 15 zwischen positive und negative Spannungsquellen + E und — £ eingeschaltet ist, kann ein Differential-Ausgangssignal von einer Verzweigung 59 zwischen den Widerstandselementen 53a und 536 abgenommen werden, wobei dieses Differential-Ausgangssignal durch die Kurve Vgemäß Fig. 16 veranschaulicht ist.

Da bei der beschriebenen Ausführungsform die Leiterschichten 55a und 556 mit der Gleichspannungsquel-

Ie 56 in Reihe geschaltet sind, beeinflussen etwaige Änderungen der Spannungsquelle 56 die an den Widerstandselementen 53a und 536 anliegenden Vormagnetisierungsfelder in gleicher Weise, so daß die Änderung im Differential-Ausgangssignal Knicht erscheint.

ίο Fig. 17 veranschaulicht in perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher über einen magnetischen Aufzeichnungsträger 60 mit einem auf diesem aufgezeichneten Magnetisierungsmuster ein Magnet-Meßfühler 61 angeordnet ist.

der ein senkrecht zur Ebene des Aufzeichnungsträgers 60 stehendes isolierendes Substrat 62 aufweist, auf dem wiederum zwei Magnet-Widerstandselemente 63a und 636 angeordnet sind, die senkrecht zur Verschiebungsoder Bewegungsrichtung D nebeneinander ausgerichtet sind. Auf den Widerstandselementen 63a und 636 sind unter Zwischenfügung dünner Isolierschichten 65a bzw. 656 dritte und vierte Magnet-Widerstandselemente 64a bzw. 646 angeordnet. Zur Vormagnetisierung der Magnet-Widerstandselemente 63a, 636, 64a und 646 sind auf die Widerstandselemente 6^s und 646 unter Zwischenfügung dicker Isolierschichten 66a bzw. 666 Leiterschichten 67a bzw. 676 aufgebracht. Die Ls.te;-schichten 66a und 666 sind wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform mit einer Gleichspannungsquelle in Reihe geschaltet, um die Widerstandselemente 63a, 64a und 636, 646 in zueinander entgegengesetzten Richtungen vorzumagnetisieren.

Die vier Magnet-Widerstandselemente 63a, 636, 64a und 646 des Magnet-Meßfühlers 61 sind auf die in Fig. 18 dargestellte Weise in eine Brückenschaltung bzw. Meßbrücke eingeschaltet. Eine Verzweigung zwischen den Widerstandselemenien 63a und 646 ist mit einer positiven Spannungsquelle +£ verbunden, eine Verzweigung zwischen den Widerstandselementen 636 und 64a liegt an einer negativen Spannungsquelle — £, und die Verzweigungen oder Verbindungspunkte /.wischen den Widerstandselementen 64a und 646 scwie zwischen den Widerstandselementen 63a und 636 sind an positiven bzw. negativen Eingang eines Differential-Verstärkers 68 angeschlossen. An einem Ausgang 69 des Differentialverstärkers 68 wird dabei ein Differential-Ausgangssignal geliefert.

Beim Magnet-Meßfühler61 gpmäß Fig. 17 bestehen die Magnet-Widerstandselemente 63a, 636,64a und 646 aus 100 bis 200 nm dicken Filmen bzw. Schichten aus Fe-Ni-Legierung (Pemallov) auf dem Glas-Substrat 62; die dünnen Isolierschichten 65a und 656 können aufgedampfte Schichten aus SiO₂ einer Dicke von 100 bis 200 nm sein; die dicken Isolierschichten 26a und 266 können aus SiC^-Schichten einer Dicke von mehreren μΐη sein, und die Leiterschichten 67a und 676 können aus einer 100 nm dicken, aufgedampften Schicht aus einem nicht-magnetischen Werkstoff, wie Al, Au oder Cu, bestehen.

Da bei den beschriebenen Magnet-Meßfühlern mit mindestens zwei in entgegengesetzten Richtungen vormagnetisierten Magnet-Widerstandselementen letztere senkrecht zur Verlaufsrichtung der auf dem magnetischen Aufzeichnungsträger aufgezeichneten Magnetisierungsmuster ausgerichtet sind, können die betreffenden Magnet-Meßfühler einschränkungsfrei für beliebige Magnetisierungsmuster willkürlicher Teilungsabstände eingesetzt werden. Bevorzugt kann daher ein in

Fig. 19 dargestellter magnetischer Aufzeichnungsträger mit einem aufgezeichneten Magnetisierungsmuster unterschiedlicher Teilungsabstände Pu P₂, Pi... sowie ein in Fig.20 dargestellter magnetischer Aufzeichnungsträger mit einem Magnetisierungsmuster eines sich fortlaufend ändernden Teilungsabstands verwendet werden.

Bei den Ausführungsformen gemäß den F i g. 11 und 17 sind für die entgegengesetzte Vormagnetisierung der Magnet-Widerstandselemente die Leiterschichten vorgesehen, durch welche der Vormagnetisierungsgleichstrom geleitet wird. Erfindungsgemäß kann die Vormagnetisierung auch mittels des Gegenvormagnetisierungssystems erfolgen. In diesem Fall brauchen die Leiterschichten und die Gleichspannungsquelle zur Lieferung des Vormagnetisierungsstroms nicht vorgesehen zu sein.

Die Fig.21A bis 21C veranschaulichen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher vier Magnet-Widerslandselemente nach dem Gegenvormagnetisierungssystem magnetisch vorgespannt bzw. vormagnetisiert sind. In Fig.21A sind die obersten Isolierschichten weggelassen und die Magnet-Widerstandselemente zur deutlicheren Veranschaulichung schraffiert dargc-*ellt. Der Magnet-Meßfühler umfaßt ein Substrat 5 aus Silicium sowie zwei unter Zwischenfügung von Isolierschichten ,7VSi bzw. INS₂ auf dem Substrat 5 angeordnete Magnet-Widerstandselemente MR\ bzw. MR₂, die durch Musterbildung an einer einzigen Magnetwiderstandsschicht geformt sind. Die restlichen Magnet-Widerstandselemente MR₃ und MRa sind unter Zwischenfügung von Isolierschichten INSi bzw. INS* auf den Magnet-Widerstandselementen MRi bzw. MR₂ angeordnet. Die Widerstandselemente MR₃ und KiR₄ sind ebenfalls jeweils aus einer einzigen Magnet-Widerstandsschicht gebildet. Die Isolierschichten /NSi bis INSa sind gleichfalls durch Mnsterbildung an entsprechenden Isolierschichten geform». Gemäß F i g. 2\C sind die vier Magnet-Widerstandselemente MR\ bis MRa in p^r.e B-ückenschdltu.ig bzw. Meßbrücke geschaltet. Dabei sind die einen Enden der unteren Widsrsvandseleinente MR\ und MR₂ an Kontakten Ci bzw. C₂ mit einem Leiter L\ verbunden, der seinerseits an eine Klemme Γι angeschlossen ist. Die einen Enden der oberen WiderEtandselemente MR-, und MRa sind an Kontakten Ci bzw. Ca mit einem Leiter L₂ verbunden, der seinerseits an eine Klemme T₂ angeschlossen ist. Die andere Seite des unteren Widerstandselements MR\ ist über einen Kontakt C₅ und einem Leiter L₃ mit einer Klemme Γ3 verbunden, während die andere Seite des oberen Widerstandselements MRi über einen Kentakt Cb und einen Leiter La an eine Klemme Ta angeschlossen ist. Die andere Seite des unteren Magnet-Widerstandselementes MR₂ liegt über einen Kontakt C₇ und einen Leiter Ls an einer Klemme Ts, und die andere Seite des oberen Widerstandselementes MRa ist über einen Kontakt Cs und einen Leiter Le an eine Klemme Te angeschlossen. In Fig. 21A sind die Kontakte der unteren Widerstandselemente MR\ und MR₂ in doppelten Umrissen dargestellt Gemäß Fig.21C bilden die Klemmen T₁ und T₂ Ausgänge der Brückenschaltung, die mit den Eingängen eines Differentialverstärkers DA verbunden sind. Die Klemmen T₃ und Ta sind an einer Plus-Klemme einer Spannungsquelle E zusammengeschaltet, während die Klemmen T₅ und Te an einer Minus-Klemme der Stromquelle E zusammengeschaltet sind. Die Klemmen T3 und Ta sowie die Klemmen Γ5 und Te können daher jeweils als Einzelanschluß ausgebildet sein. Bevorzugt werden jedoch die getrennten Klemmen gemäß Fig.21A vorgesehen, weil in diesem Fall die Magnet-Widerstandselemente getrennt geprüft werden können. Beispielsweise kann der Widerstandswert des Widerstandselementes MR\ durch Messung der Widerstandsgröße zwischen den Klemmen Ts und Ti bestimmt werden. Dieses Merkmal gewährleistet ein höheres Fertigungsausbringen un Magnet-Meßfühlern mit mehreren Magnet-Widerstandselementen.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind die Magnet-Widerstandselemente MRi bis MRa nach dem sekundären Gegenvormagnetisierungssystein vormagnetisiert. Die Widerstandselemente MR\ und MRi unterliegen daher einem Vormagnetisierungsfeld, das in bezug auf die Zeichnungsebene gemäß Fig. 21C nach vorn gerichtet ist, während die Widerstandselemente MR₂ und MRa ein Vormagnetisierungsfeld führen, das gegenüber der Zeichnungsebene von Fig.21 nach unten gerichtet ist. An einem Ausgang des Differentialverstärkers DA wird daher ein Differential-Ausgangssignal mit höherer Meßempfindlichkeit und ohne Beeinflussung durch Rausch- oder Störsignale erhalten.

Im folgenden sei ein unausgeglichenes bzw. unsymmetrisches Ausgangssignal des Magnet-Meßfühlers betrachtet. Hierbei seien ein spezifischer Widerstand als Funktion der Temperatur 7"der ersten, erstes und zweites Magnet-Widerstandselement MR\ bzw. MR₂ bildenden Magnetwiderstandsschicht mit p\(T), die Dicke der ersten Magnetwiderstandsschicht mit fj, ein spezifischer Widerstand als Funktion der Temperatur einer zweiten, die Widerstandselemente MRi und MRa bildenden Magnetwiderstandsschicht mit p₂(t), die Dicke der zweiten Magnetwiderstandsschicht mit t₂, ein Musterformkoeffizient (d. h. Länge/Breite) der Widerstandselemente MR\ und MRi mit k\ und ein Musterformkoeffizient der Widerstandselemente MR₂ und MRa mit Jc₂ vorausgesetzt. Die Widerstandswerte R] bis Ra der Magnet-Widerstandselemente MR\ bis MRa lassen sich dann wie folgt ausdrücken:

Äi = Pi(V

R₂ = Px(T)
Ri = P₂(T) ■

Ra = P₂(T) ■

k\lt\

k₂lt₂

Eine unausgeglichene bzw. unsymmetrische Ausgangsspannung AV ohne ein zu messendes Magnetfeld läßt sich dann durch die folgende Gleichung

AV = K

= V

- K ■

= K

Λ, +R₁ " A₃+A4
Pi(T) ■ K₂Zi₁

P₂(T") · K₂A₁

P₂(D- k_xlt₂+ρ₂(Τ) ■ k₂/h

J k_₂ ki

¹ 1 Α-,+λ-₂

ki+k₂

= O

ausdrucken, in welcher V₅ die Spannung der Spannungsquelle E bedeutet. Aus der obigen Gleichung geht hervor, daß auch im Fall von pi(T) Φ p₂(T), /, φ t₂ und ki φ k₂ die unausgeglichene bzw. unsymmetrische Spannung AV stets gleich Null ist und daher die Messung genau und ohne Beeinflussung durch Abweichung

und temperaturabhängige Drift durchgeführt werden kann.

Im folgenden isi ein Herstellungsbeispiel für den in Fig.21A dargestellten Magnet-Meßfühler gemäß der Erfindung im einzelnen erläutert

Zunächst werden gemäß Fig.22 auf einem Siliziumsubstrat 71 nacheinander eine Isolierschicht 72 aus Ta₂Os mit einer Dicke von 50 nm, eine erste, 30 nm dikke Magnetwiderstandsschicht 73 aus 81% Ni und 19% Fe (Permalloy), eine zweite Isolierschicht 74 aus SiOj mit einer Dicke von 150 nm, eine dritte. 50 nm dicke Isolierschicht 75 aus Ta₂ O5, eine zweite Magnetwiderstandsschicht 76 aus Ni-Fe-Permalloy mit einer Dicke von 30 nm und eine vierte, 150 nm dicke Isolierschicht 77 aus SiO₂ abgelagert bzw. aufgedampft. Das Aufdampfen dieser Schichten erfolgt bei einer Temperatur des Substrats 71 von 300⁰C. Da das S'üzii ^substrat eine ausgezeichnete Wärmeabstrahüeistung besitzt, kann ein größerer Strom durch die Magnet-Widerstandselemente geleitet und ein Meßausgangssignal mit großem Rauschabstand erhalten werden. Siliziumsubstrate werden verbreite! bei der Halbleiterherstellung verwendet, so daß Siliziumsubstrate hoher Güte ohne weiteres erhältlich sind. Sodann wird eine Photoresistschicht des positiven Typs (p-Typ) bei einer Temperatur des Substrats 71 von 300⁰C auf die vierte Isolierschicht 77 aufgetragen. Als Photoresistschicht kann die Trokkenätzmasse AZ-1350 verwendet werden.

Anschließend wird die Photoresistschicht gemäß F i g. 23 durch eine Photomaske PM\ selektiv belichtet. In der Photomaske ist ein vorgegebenes Muster entsprechend dem M'jsier der auszubildenden Magnet-Widerstandselemente vorgesehen. Die nicht gehärteten Abschnitte der Photoresistschicht. die mit dem durch einen durchsichtigen Teil /Wi., hindurchfallenden Licht belichte; worden sind, werden hierauf entfernt. Bei der dargestellten Ausfuhrungsform besitzt das Magnet-Widerstandselement eine Länge L von etwa 1 mn und eine Breite ßvon 50 μιτι.

Anschließend werden die Schichten 72 bis 77 gleichzeitig durch Trockenätzung selektiv abgetragen. Dieses Ätzen erfolgt mit Hilfe eines Gasgemisches aus CF₄ zum Abtragen der Isolierschichten aus Ta₂Os und SiO₂, CCI4 zum Anätzen der Magnet-Widerstandsschichten aus Fe-Ni-Legierung (Permalloy) sowie O₂ zur Unterstützung der Wirkung des gasförmigen CCU Da alle sechs Schichten 72 bis 77 in einem einzigen Ätzvorgang gleichzeitig behandelt werden, läßt sich der Ätzvorgang einfach durchführen, und die beiden übereinanderliegenden Magnet-Widerstandselemente können eii.e vollkommen identische Form erhalten, so daß sie auch gleiche Eigenschaften besitzen. Da weiterhin die beiden !vlagnet-Widerstaiid>elemente MR\ und MR2 aus der ersten Magnetwidersiandsschicht 73 und die beiden anderen Widerstandselemente MRi und MRa aus der zweiten Magnetwiderstandsschicht 76 geformt werden, besitzen sie auch jeweils gleiche Die ken und Eigenschaften.

Nach dem Abtragen des restlichen Photoresistmaterials wird gemäß F i g. 24 eine weitere Photoresistschicht 78 des negativen Typs (η-Typ) aufgebracht. Mittels einer in Fig.25 dargestellten Photomaske PM} mit undurchsichtigen Abschnitten PMi₁, werden scdunn in der Phoiorcsisischicht 78 mehrere öffnungen 78;) ausgebildet, welche den Kontakten für die crsic Magnetwiderstandssehicht 73 entsprechen.

Anschließend werden die vierte Isolierschicht 77, die zweite Magnetwiderstandsschicht 76 und die dritte Isolierschicht 77 einer Ätzbehandlung unterworfen, um gemäß F i g. 26 eine bis zur zweiten Isolierschicht 74 durchgehende Öffnung 80 auszubilden. Diese Ätzbehandlung kann ebenfalls mittels tines Trockenätz-Gasgemisches aus CF4, CCI4 und O2 erfolgen. Da dieser Ätzvorgang nur so lange durchgeführt zu werden braucht, bis die zweite Isolierschicht 74 freigelegt ist, und letztere dabei mehr oder weniger angeätzt werden kann, braucht der Ätzvoi gang nicht genau gesteuert zu werden. Das Ätzen kann außerdem auch nach einem Naßätzyerfahren erfolgen. In diesem Fall können Fluorwasserstoffsäure als Ätzmittel für SiO₂, ein alkalisches Ätzmittel für Ta₂Os und ein starkes Ätzsäuregemisch für die Fe-Ni-Legierung (Permalloy) verwendet werden.

Gernäß Fig.27 wird als nächstes eine isolierende Photoresistschicht 81 des negativen Typs (η-Typ) aus z. B. einem Polyamid-Photoresistmaterial aufgebracht. In dieser Photoresistschicht 81 werden sodann mittels einer Photomaske PMi gemäß Fig.28 Öffnungen 81a,

816 ausgebildet. Die Öffnung 81a wird dabei am Boden bzw. an der Sohle der durchgehenden Öffnung 80 geformt; die undurchsichtigen Abschnitte der Photomaske ΡΛ/j, entsprechend der Öffnung 81a, sind in F i g. 28 bei PiAu angedeutet. Weitere undurchsichtige Abschnitte

PMiö entsprechen den öffnungen 81 b. Die Photomaske PMs weist wei.-rhin einen großen undurchsichtigen Abschnitt PM_Sc auf, der zum Abtragen der isolierenden Photoresistschicht 8 ί in einem Bereich dient, an welchem später eine Leitungsverbindung erfolgt. In F1 g. 27 ist jedoch eine dem ^durchsichtigen Abschnitt PMz_c entsprechende Öffnung aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt.

Die zweite und die vierte SiO₂- Isolierschicht 74 bzw. 77 werden dann durch die Öffnungen 81a und 816 hin-

durch selektiv mit einem Ätzmittel geätzt, das zwar 5ϊΟ. .· :ht aber Ta₂Os angreift. Bei diesem Ätzmittel kann es sich um eine Fluorwasserstoffsäure handeln, z. B. HF + 6 NH4F. Während dieses Ätzvorganges werden in den Isolierschichten /4 und 77 Öffnungen 74a bzw. 772 geformt, die sich bis zur ersten und zweiten Magnetwiderslandsschicht 73 bzw. 76 erstrecken. Da für die Ausbildung der Öffnungen 81a und 81 b ein SiO₂ selektiv angreifendes Ätzmittel verwendet wird, kann ein Kurzschluß zwischen den beiden Magnetwider-Standsschichten 73 und 76 über möglicherweise auftretende Feinlöcher sicher verhindert werden.

Gemäß F i g. 30 werden anschließend zur Bildung einer Metallschicht 83 eine 200 nm dicke Mo-Schicht und eine 500 nm dicke Au-Schich: nacheinander auf die isolierende Photoresistschicht 21 aufgetragen. Bei dieser Metallabtragung oder -aufdampfung wird das Substrat 71 auf etwa 250° C erwärmt.

Nach dem Aufbringen einer Photoresistschicht des positiven Typs (p-l'v ;>) über der Metallschicht 83 wird letztere mittels einer in F i g. 31 dargestellten Photomaske PMi. einer Mustei bildung zur Herstellung eines Leiterzugmusters gemäß F i g. 32 unterworfen. Sodann ist ein Chip in Form eines Magnet-Widerstandselementes fertiggestellt.

Im Anschluß hieran werden gemäß F i g. 33 zwei derartige Chips fi und 87 auf einer Platte 84 angeordnet. Letztere besteht aus einem isolierenden Substrat oder Träger aus Glas bzw. Epoxyharz mit Metallabschnitten 85,i und 85£>, die dutefi Mustefbildung an einer auf dem

b¹» Substrat aufgetragenen Metallschicht in Form einer 5 μηι dicken Ni-Schicht und einer 1 μηι dicken Au-Sducht ausgebildet sind. Die die Magnet-Widerstandselemente tragenden Chips 86 und 87 werden mit dem

AV =

= V

) R₂+Ra I
P₁(T)-Ic₁Zt₂

60

+ P₂(T)- Ic₂It₂

= O.

A, lh +Pi(T)-Ic₂It₁

Metallabschnitt 85a verbunden bzw. verklebt. Da der Metallabschnitt 85a eine sehr große Oberfläche besitzt, gewährleistet er eine wirksame Wärmeabstrahlung. Wie vorstehend beschrieben, umfaßt jedes Chip 86 und 87 die vier Magnet-Widerstandselemente, wobei die An-Schlüsse oder Klemmen 71 bis Tt und 71' bis 7V der Chips mittels feiner Metalldrä.ite 88 mit dem Metallabschnitt 85b auf der Platte 84 verbunden sind. Zur wirksamen Durchführung der Verdrahtung ist die isolierende Photoresisischicht Si, wie vorher in Verbindung mit Fig.28 erwähnt, in einem Bereich unterhalb der Anschlüsse 71 bis T₆ und T_x' bis T₆' entfernt worden. Die Metallabschnitte 85Z> werden mit Anschlüssen bzw. Klemmen 89a bis 89/" auf der Platte 84 in der Weise verbunden, daß die Widerstandselemente MR_x bis MRa auf dem Chip 86 und die Widerstandselemente MR_x' bis MRi auf dem Chip 87 auf die in F i g. 34 gezeigte Weise in Brückenschaltung geschaltet werden. Sodann werden die Anschlüsse 89a und 89/" auf der Platte 84 mit Plusbzw. Minus-Klemme einer Gleichspannungsquelle E verbunden, während die Anschlüsse 9Qb und 89c mit negativem bzw. positivem Eingang eines ersten Differentialverstärkers DA und die Anschlüsse 89c/ und 89e mit negativem bzw. positivem Eingang eines zweiten Differentialverstärkers DA' verbunden werden. Die Ausgangssignale der Differentialverstärker DA und DA' werden einer Signalverarbeitungsschaltung SPC eingespeist und in dieser verarbeitet. Gemäß F i g. 35 ist die mit den Magnetwiderstandselementen (Chips) 86 und 87 versehene Platte 84 über einem magnetischen Aufzeichnungsträger 90 angeordnet, der zwei Magnetisierungsmuster 91a und 9ti» aufweist, die ihrerseits in Richtung der Verschiebung oder Bewegung (Pfeil D) um einen halben Teilungsabstand des Magnetisierungsmusters relativ zueinander verschoben sind. Die beiden Chips 86 und 87 sind in einer Richtung ausgerichtet, die im wesentlichen senkrecht zur Verlaufsrichtung des Magnetisierungsmusters liegt. Die Signalverarbeitungsschaltung SPC Hefen daher ein Meßausgangssignal, das Richtung und Größe der Verschiebung bzw. Bewegung angibt.

F i g. 36 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verschiebungsmeßvorrichtung. Dabei sind Magnet-Widerstandselemente MR\ und MRi sowie Magnet-Widerstandselemente MR2 und MRn jeweils mit einer Gleichspannungsquelle £in Reihe geschaltet. Aufgrund des sekundären Gegenvormagnetisierungssystems sind erstes und zweites Widerstandselement MR\ und MR2 einem gegenüber der Zeichnungsebene rückwärts gerichteten Vorspannungsmagnet- bzw. Vormagnetisierungsfeld unterworfen, während drittes und viertes Widerstandselement MRi bzw. MRi, einem gegenüber der Zeichnungsebene nach vorn gerichteten Vormagnetisierungsfeld ausgesetzt sind. In diesem FaI! läßt sich die unausgeglichene bzw. unsymmetrische Ausgangsspannung AV wie folgt ausdrücken:

Mit der Ausführungsform gemäß F i g. 36 kann somit insgesamt dieselbe Wirkung wie mit der Ausführungsform gemäß F i g. 21 gewährleistet werden.

Bei der weiteren Ausführungsform gemäß Fig.37 sind Magnet-Widerstandselemente MR_x und MR2 sowie Magnet-Widerstandselemente MRi und MR* jeweils mit einer Gleichspannungsquelle E in Reihe geschaltet. An den Widerstandselementen MR_x und MR₃ liegt daher ein in bezug auf die Zeichnungsebene rückwärts gerichtetes Vormagnetisierungsfeid an, während die Widerstandselemente MR₂ und MRa einem in bezug auf die Zeichnungsebene nach vorn gerichteten Vormagnetisierungsfeld ausgesetzt sind. Die unausglicher.e bzw. unsymmetrische Ausgangsspannung AV läßt sich in diesem Fall wie folgt ausdrücken:

AV =

₌ y

I R\+Ri

ί_ ' Pi

R₂+Ra J

P₁(D-A₂Zf,

+ P₁(D-A₂//,

= V

P₂(T)- A,/f₂+ P₂(T)- Ic₂It₂
ί *: _ *, I

= K

¹ 1 A₁ +A;

A₂-A₁

A,+A₂ J

A,+A₂

Im allgemeinen sind die Formkoeffizienten (configuration coefficients) Ai und k₂ nicht einander gleich, so daß die unausgeglichene bzw. unsymmetrische Spannung AV nicht gleich Null ist. Die temperaturabhängigen Änderungen werden jedoch nicht in die unsymmetrische Spannung z/Veingeführt, so daß keine Temperatur-Drift auftritt. Da weiterhin die unsymmetrische Spannung AV konstant ist bzw. wird, kann sie einfach durch eine Abweichspannung (off-set voltage) kompensiert werden.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen bestehen die Isolierschichten oder -filme aus SiO₂ und Ta₂Oj, doch können sie auch durch andere Oxide. Fluoride oder Nitride gebildet sein. Beispielsweise kann hierfür MgFi und S13N4 benutzt werden. Das Ätzen kann nicht nur durch Trocken- und Naßätzen, sondern auch durch Sprühätzung in gasförmigem Ar erfolgen. Zudem kann die isolierende Photoresistschicht aus Polyimidharz entfernt (weggelassen) und durch eine andere Isolierschicht ersetzt werden. Das bei den beschriebenen Ausführungsformen aus Silicium bestehende Substrat kann auch aus Keramikmaterial oder Glas hergestellt sein. Das selektive Ätzen kann auch mittels einer Resistschicht erfolgen, die durch Bestrahlung mit einem Elektrodenstrahl gehärtet worden ist. In diesem Fall können die Photomasken entfallen. Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind weiterhin die Magnet-Widerstandselemente nach dem sekundären Gegenvormagnetisierungssystem vormagnetisierbar, doch kann auch das primäre Gegenvormagneüsierungssystem angewandt werden. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 35 weist der magnetische Aufzeichnungsträger zwei die Magnetisierungsmuster tragende Aufzeichnungsspuren auf, doch kann auch ein magnetischer Aufzeichnungsträger mit nur einem einzigen Magnetisierungsmuster verwendet werden. Darüber hinaus kann das magne-

Hierzu 16 Blatt Zeichnungen

tische Vorspannungsfeld bzw. Vormagnetisierungsfeld auch in der Weise erzeugt werden, daß ein Dauermagnet oder ein Elektromagnet in der Nähe der Magnet-Widerstandselemente angeordnet. wird. Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird der magnetische Aufzeichnungsträger relativ zum vorrichtungsfesten Magnet-Meßfühler bewegt, doch kann auch der Magnet-Meßfühler oder sowohl Meßfühler als auch Aufzeichnungsträger bewegt werden.

10

15

20

»0

«0

so

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung einer Relativverschiebung zwischen einem magnetischen Aufzeichnungsträger mit mindestens einer Magnetspur, auf der ein Magnetisierungsmuster aufgezeichnet ist, und einem Magnet-Meßfühler mit mindestens zwei Magnet-Widerstandselementen, die in einer Richtung senkrecht zur Richtung des Magnetisierungsmusters gegeneinander versetzt sind, um ein durch das Magnetisierungsmuster erzeugtes Magnetfeld zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Magnet-Widerstandselemente (12a, 12Zj; 23a, 24a; 23b, 24b; 53a. 54a; 536, 54b; 63a, 64a; 63Z>, 64A>; MR t MR 3, MR 2, MR 4) derart bezüglich des Magnetisierungsmusters angeordnet sind, daß die zwei Magnet-Widerstandselemente zwei Ausgangs-■signale mit gleicher Frequenz und von einander um 180^c verschobener Phase erzeugen, und daß den Magnet-Widerstandselementen ein Differenzverstärker (26; 68; DA) nachgeschaltet ist, der aus den Ausgangssignalen ein die Relativverschiebung angebendes Meß-Ausgangssignal erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Magnet-Widerstandselemente in der senkrecht zur Verlaufsrichtung des Magnetisierungsmusters verlaufende Richtung nebeneinander angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Magnet-Widerstandselemente zudem in Verlaufsrichtuiig des Magnetisierungsmusters zueinander verschoben bzw. versetzt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Aufzeichnungsträger zwei parallel zueinander angeordnete und jeweils ein Magnetisierungsmuster tragende Magnetspuren aufweist, daß die Magnetisierungsmuster jeweils um eine Strecke entsprechend ihrem halben Teilungsabstand zueinander verschoben sind und daß das erste und das zweite Magnet-Widerstandselement der ersten bzw. zweiten Magnetspur gegenüberstehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnet-Widerstandselemente am einen Ende zusammengeschaltet und an ihren anderen Enden an eine positive bzw. negative Spannungsquelle angeschlossen sind und daß das Meß-Ausgangssignal von einem Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerstandselementen als Differential-Ausgangssignal abnehmbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem ersten und dem zweiten Magnet-Widerstandselement unter Zwischenfügung von Isolierelementen ein drittes bzw. viertes Magnet-Widerstandselement angeordnet sind, die zwischen einer positiven und einer negativen Spannungsquelle miteinander in Reihe geschaltet sind, und daß ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Widerstandselement sowie ein Verbindungspunkt zwischen dem dritten und dem vierten Widerstandselement an den positiven bzw. negativen Eingang des Differenzverstärkers mit einem Ausgang, an dem das Meß-Ausgangssignal abnehmbar ist, angeschlossen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vormagnetisierungseinrichtung zum Vormagnetisieren der mindestens zwei Ma-

gnet-Widerstandselemente in zueinander entgegengesetzten Richtungen vorgesehen ist

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungseinrichtuiig Leiterelemente, die unter Zwischenfügung von Isolierelementen auf die Magnet-Widerstandselemente aufgebracht sind, und eine zwischen die Leiterelemente eingeschaltete Spannungsquelle zur Führung eines Vormagnetisierungsstroms über die Leiterelemente aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vier Magnet-Widerstandselemente so angeordnet sind, daß das erste und das dritte Magnet-Widerstandselement sowie das zweite und das vierte Magnet-Widerstandselement jeweils unter Zwischenfügung eines Isolierelements aufeinander liegen, daß das erste und das dritte Magnet-Widerstandselement gegenüber dem zweiten und dem vierten Magnet-Widerstandselement in der genannten Verlaufsrichtung gegeneinander versetzt sind und daß das erste und das dritte Magnet-Widersthndselement sowie das zweite und das vierte Magnet-Widerstandselement mittels hindurchgeleiteter Treiberströme jeweils gegeneinander vormagnetisiert sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Magnet-Widerstandselemente in eine Brückenschaltung bzw. Meßbrücke geschaltet sind und daß Diagonalpunkte der Brükkenschaltung am positiven bzw. negativen Eingang des Differenzverstärkers, der an seinem Ausgang das Meß-Ausgangssignal liefert, angeschlossen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Magnet-Widerstandselement durch Musterbildung an einer ersten, auf ein Substrat aufgetragenen Magnetwiderstandsschicht ausgebildet sind und daß das dritte und das vierte Magnet-Widerstandselement durch Musterbildung an einer zweiten, unter Zwischenfügung einer Isolierschicht auf die erste Magnetwiderstandsschicht aufgetragenen Magnetwiderstandsschicht ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht durch zwei Isolierschichten aus unterschiedlichen Isoliermaterialien gebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1", dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Silizium hergestellt ist und daß die erste Magnetwiderstandsschicht über Zwischenfügung einer Isolierschicht auf das Substrat aufgetragen, insbesondere aufgedampft, ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Magnet-Widerstandselemente mittels eines Leiterzugmusters so mit Anschlüssen bzw. Klemmen verbunden sind, daß der Widerstandswert der jeweiligen Magnet-Widerstandselemente getrennt meßbar ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Relativverschiebung nach dem Oberbegriff des b5 Patentanspruches 1. Eine solche Vorrichtung, die beispielsweise aus der GB-OS 20 16 144 bekannt ist, kann als Drehwinkelgeber, Linearweggeber usw. benutzt werden.