DE4233332C2 - Magnetoresistive Sensoranordnung auf einem Chip zur Messung örtlicher Verteilungen von Magnetfeldgradienten - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer magnetorestiven Sensoranordnung auf einem Chip zur Messung örtlicher Verteilungen von Magnetfeldgradienten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es liegen viele Meßaufgaben vor, die die Bestimmung einer örtlichen Magnetfeldverteilung verlangen. Als Beispiel sollen hier die Bestimmung der Position oder des Abstandes eines Magneten oder von magnetischen Mustern gegenüber der Sensor­ position das Auslesen von Informationen aus magnetisch markierten Teilen, die potentialfreie Messung der Stromstärke oder das Auffinden der genauen örtlichen Lage eines Strom­ pfades sowie die Feststellung der Magnetfeldverteilung in periodisch magnetisierten Aufzeichnungsträgern genannt werden. Diese Meßaufgaben setzen bei der Bestimmung des Magnetfeldes oder seines Gradienten eine hohe Meßempfindlichkeit voraus. Ein genügend empfindliches Meßprinzip ist durch die mag­ netoresistiven Sensoren gegeben.

Meßanordnungen für Magnetfeldgradienten auf dieser Basis sind bekannt. Das in der DE 33 17 594 A1 vorgeschlagene Meßelement zur Bestimmung des Magnetfeldgradienten hat jedoch den Nachteil, daß es nur an einem einzigen Raumpunkt den Gradien­ ten angibt. Zur Bestimmung einer räumlichen Verteilung müßte die Anordnung auf dem Schichtträger vervielfacht werden oder es wäre eine Bewegung des Sensors im Magnetfeld erforderlich. Ersteres würde wegen der benötigten Chipfläche einen hohen Herstellungsaufwand bedeuten. Da die Bewegung des Sensors im zweiten Fall mit einem Rastermaß im µm-Bereich gesteuert werden müßte, wäre hier der Aufwand noch größer.

Bei der in der DE 36 11 469 A1 beschriebenen Vorrichtung zur berührungslosen Positionsmessung sind zwar mehrere magneto­ resistive Sensorreihen vorhanden, die an deren Orten die Bestimmung des Magnetfeldes ermöglichen, jedoch werden hier die Feldgradienten aus den an den unterschiedlichen Orten gemessenen Magnetfeldern rechnerisch ermittelt. Der dazu notwendige Auswerteaufwand ist nicht unerheblich.

In der EP 03 69 160 A2 wird ein Magnetfeldsensor beschrieben, der aus einer Vielzahl magnetoresistiver Schichtstreifen mit Barberpolstrukturen aufgebaut ist. Die Schichtstreifen sind in vier Gruppen angeordnet. Jede Gruppe beansprucht dabei etwa die Fläche eines Quadrats. Die vier Quadrate bilden zusammen ein Gesamtquadrat. Innerhalb jeden Quadrats sind die Schichtstreifen jeweils mit den nächsten Nachbarn mäanderförmig verbunden, bilden also einen einzigen Widerstand. Die Widerstände der vier Quadrate sind elektrisch zu einer Wheatstonebrücke verbunden. Die Schichtstreifen in den diagonal angeordneten Quadraten haben den gleichen Barberpolwinkel. Bei nebeneinanderliegenden Quadraten ist der Winkel zwischen den Barberpolstreifen und den mag­ netoresistiven Schichtstreifen zwar vom gleichen Betrag, hat aber das entgegengesetzte Vorzeichen. Zu jedem Brückenzweig gehören die beiden übereinander dargestellten Widerstandsquadrate. Eine Aussteuerung der Brücke wird bei Einwirkung eines homogenen Magnetfeldes in der Chipebene und quer zur Längsrichtung des magnetoresistiven Schichtstreifens auftreten, da sich Schicht­ streifen mit entgegengesetzt gleichen Barberpolwinkeln für diese Feldrichtung gegenläufig ändern. Sind örtliche Felddifferenzen innerhalb der Sensorfläche vorhanden, so wird der mittlere Feldstärkewert angezeigt. Feldgradienten in Feldrichtung oder quer dazu führen zu keinem Sensorsignal. Die Anordnung ist also zur Auswertung von Magnetfeldgradienten und zu einer Erkennung magnetischer Muster auf deren Basis nicht geeignet.

Ein Aufsatz, erschienen in der Zeitschrift "radio fernsehen elektronik", Berlin, 1985, Seiten 316-319 behandelt die Grundlagen magnetoresistiver Sensoren sowie einige ihrer Anwen­ dungsmöglichkeiten. Zum Abtasten magnetischer Muster werden in diesem Aufsatz Anordnungen beschrieben, deren Schichtebene senkrecht zur Ausdehnung der Musterebene stehen. Diese Anord­ nungen, die aus einem einzigen magnetoresistiven Schichtstreifen bestehen und deshalb sehr einfach sind, messen das vom Muster erzeugte Magnetfeld jedoch immer nur an einem einzigen Ort. Zur Mustererkennung wäre ein Abfahren des Musters in meßbaren Schritten erforderlich, wozu jedoch eine aufwendige Ablaufsteue­ rung realisiert werden müßte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetoresistive Sensoranordnung vorzuschlagen, mit der es möglich ist, regelmäßi­ ge Muster mit geringem konstruktivem Aufwand und bei geringer Störanfälligkeit zuverlässig zu erkennen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, daß durch die in den Ansprüchen angegebene Gruppierung der magnetoresistiven Schichtstreifen als Ausgangssignal der einzelnen Spannungsteiler sofort Spannungen erhalten werden, die den entsprechenden Magnetfeldgradienten proportional sind. Damit ist eine Un­ empfindlichkeit der Sensoranordnung gegenüber homogenen Gleich- und Wechselfeldstörungen von vornherein gegeben. Daß die Anordnung direkt den Gradienten des Magnetfeldes anzeigt, ist dadurch bedingt, daß die Spannungsteiler symmetrisch aus geometrisch völlig gleichen magnetoresistiven Schichtstreifen aufgebaut sind. Damit führt ein örtlich konstantes Feld zu deren Widerstandsänderung um den gleichen Betrag, so daß eine Span­ nungsänderung am Ausgang der Spannungsteiler nicht auftreten kann.

Durch das Vorhandensein mehrerer Spannungsteiler können die Werte der Magnetfeldgradienten an deren Orten ständig abgefragt werden. Die völlige Gleichheit der magnetoresistiven Schichtstreifen einschließlich der unter gleichem Winkel auf ihnen angeordneten Barberpolstruktur ist auch die Voraus­ setzung dafür, daß die Ausgangsspannung der Spannungsteiler ohne Einfluß eines Feldgradienten, also ihr Nullwert gegenüber Temperaturschwankungen, fast völlig stabil bleibt. Unterstützt wird diese Stabilität noch dadurch, daß die magnetoresistiven Schichtstreifen der einzelnen Spannungsteiler ineinander verschachtelt angeordnet sind. So können wegen der räumlichen Nähe auf dem Chip örtliche Temperaturdifferenzen zwischen verschiedenen Teilen des Chips, die möglicherweise durch die Eigenaufheizung durch den Betriebsstrom entstehen, nur einen äußerst geringen Beitrag zur Nullpunktdrift der Spannungs­ teiler liefern.

Da der erfindungsgemäße Sensor mindestens zwei Spannungsteiler enthält, die jeweils den Gradienten des Magnetfeldes anzeigen, ist durch Differenzbildung von je zwei Signalen auch der Wert der zweiten Ableitung des Feldes nach der entsprechenden Ortskoordinate ständig ermittelbar.

Alle bisher genannten Eigenschaften der Sensoranordnung ergeben sich bereits für den Fall, daß jeder Spannungsteiler nur aus jeweils einem magnetoresistiven Schichtstreifen in zwei Bereichen gebildet wird. Werden die Spannungsteiler aus Schichtstreifen in mehr als zwei Bereichen entsprechend dem Erfindungsanspruch gebildet, ergeben sich insbesondere bei der Erkennung periodischer Magnetverteilung weitere Vorteile. Stimmt die Periodenlänge eines magnetischen Musters mit der doppelten Bereichslänge auf dem Sensorchip überein, so sind die die Spannungsteiler bildenden magnetoresistiven Schicht­ streifen auch genau entsprechend der Periode des Musters angeordnet und für diesen Fall ergibt sich eine maximale Signalamplitude für den Ausgang des Spannungsteilers. Durch die Vielzahl der magnetischen Streifen wird für den Verlauf des Magnetfeldes innerhalb einer Periode des Musters praktisch eine Mittelung durchgeführt. Statistisch auftretende Fehler, die in dem periodischen Muster auftreten können, spielen deshalb für die Ausgangssignale der Spannungsteiler kaum eine Rolle. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn in der Sensoranordnung entsprechend Anspruch 3 jeweils zwei Span­ nungsteiler mit dem entsprechenden Versatz zu Vollbrücken zusammengeschaltet sind. Zur Auswertung steht dann eine Differenzspannung zur Verfügung, die dem Magnetfeldwert des periodischen Magnetfeldmusters an einer ganz bestimmten Stelle in der Periode zugeordnet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert aus dem sich weitere Merkmale der Erfindung ergeben.

In Fig. 1 wird ein Querschnitt durch einen Aufbau gezeigt, in dem sich über einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung ein Magnetmuster befindet.

Fig. 2 zeigt oben schematisch die örtliche Zuordnung der Magnetfeldverteilung zum Magnetmuster und die Lage der Sensoranordnung bei der Messung. Dabei dient eine in Fig. 2 unten wiedergegebene, spezielle Ausführung der Sensoranordnung zum Nachweis dieses Magnetmusters.

Die Erfindung wird anhand dieses Beispiels näher erläutert. Die Sensoranordnung wird hier verwendet, um durch Messung der Magnetfeldverteilung Objekte zu erkennen, die durch bestimmte Magnetmuster gekennzeichnet sind.

Fig. 1 zeigt ein solches Objekt 12, an dessen Unterseite magnetisierbares Material in Form eines Films befestigt ist. Durch Aufmagnetisierung entsteht im Film ein magnetisches Muster 13. Das Objekt 12 mit dem magnetischen Muster 13 ist über der Sensoranordnung, die sich auf einem Siliziumchip 9 befindet, senkrecht zur Zeichenebene beweglich.

Das Chip 9 ist im Bereich der auf ihm befindlichen magneto­ resistiven Schichtstreifen 3 durch eine Abdeckung 10 gegen mögliche Berührung durch das Magnetmuster 13 geschützt. Im Bereich der Kontaktflächen 6, 7 ist die Chipfläche abgesenkt 11, um genügend Platz für Bonddrähte 15 zum Anschluß der Spannungsteiler des Sensors zu schaffen.

Das Sensorchip 9 ist auf einem Chipträger 14 montiert, der auch die Kontaktflächen für den Anschluß der Spannungsteiler des Sensors nach außen enthält.

In Fig. 2 ist im oberen Teil das Magnetmuster 13 dargestellt, das durch die Sensoranordnung erkannt werden soll. Die Magnetmuster an den verschiedenen markierten Objekten 12 unterscheiden sich durch die Anzahl von Abschnitten, in denen eine Magnetisierung des magnetischen Materials durchgeführt wurde. Im dargestellten Beispiel können ein, zwei, drei oder vier Abschnitte magnetisiert sein, wobei die halbe Länge des Abschnittes jeweils in positiver Richtung, die andere halbe Länge in negativer Richtung magnetisiert ist. Die Länge eines halben Abschnittes stimmt mit der Länge eines Bereiches 1 auf dem Sensorchip 9 überein.

Das durch das magnetische Muster 13 hervorgerufene Magnetfeld in der Nähe der Musteroberfläche ist in der Mitte von Fig. 2 in der H(x)-Grafik für den Fall dargestellt, daß nur der erste Abschnitt des Musters 13 magnetisiert ist. Darunter befindet sich in Fig. 2 die Struktur der Sensoranordnung.

Auf dem Chip 9 befinden sich acht gleichlange Bereiche 1, in denen jeweils vier magnetoresistive Schichtstreifen 3 in gleicher Weise angeordnet sind. Sie sind über Verbindungs­ leitungen 2 so miteinander verbunden, daß vier Spannungsteiler aus je acht magnetoresistiven Schichtstreifen 3 gebildet werden.

Die Spannung an den Ausgängen der Spannungsteiler liegt ohne Magnetfeldeinwirkung bei der halben Betriebsspannung, die an den Kontakten 6 für die Spannungsversorgung angelegt ist.

Steht der Sensoranordnung das Magnetmuster 13 in der Art gegenüber, wie es Fig. 2 zeigt, so werden nur die Widerstände der magnetoresistiven Schichtstreifen 3 des ersten und zweiten Bereiches 1 durch das dort vorhandene Magnetfeld geändert. Da alle magnetoresistiven Schichtstreifen 3 mit Barberpol- Dünnschichtstreifen 4 gleichen Winkels 8 versehen sind, was in der Zeichnung der Einfachheit wegen nur links dargestellt ist, erfolgt die Widerstandsänderung in den beiden Bereichen wegen der unterschiedlichen Feldrichtung gegenläufig. Damit erscheint an den vier Ausgängen 7 der Spannungsteiler ein Signal. Die Größe dieser Ausgangssignalspannungen ist proportional zu der Magnetfeldstärke, die am Ort des jeweili­ gen magnetoresistiven Schichtstreifens 3 herrscht. Im dargestellten Beispiel werden also vier Ausgangssignale unterschiedlicher Amplitude erhalten. Für die Mustererkennung wird davon nur der Wert mit der maximalen Amplitude benötigt. Wenn trotzdem die gesamte Magnetfeldverteilung gemessen wurde, hat das den Vorteil, daß die Position des Magnetmusters 13 gegenüber dem Sensorchip 9 nicht genau eingestellt werden muß, und der Maximalwert durch Auswahl erhalten werden kann.

Sind im Magnetmuster 13 nicht nur in einem Abschnitt, sondern in zwei Abschnitten magnetisierte Bereiche vorhanden, so werden die Widerstände von magnetoresistiven Schichtstreifen 3 in zwei weiteren Bereichen 1 des Sensorchips 9 durch das entsprechende Magnetfeld geändert, und die Ausgangsspan­ nungsänderung ist doppelt so groß wie im oben beschriebenen Fall. Bei drei oder vier magnetisierten Abschnitten des Magnetmusters 13 wird die Ausgangsspannungsänderung drei- oder viermal so groß sein. Damit ist eine Unterscheidung von vier magnetisch markierten Objekten 12 möglich, wenn sie am Sensor vorbeigeführt werden.

Eine Erkennung einer Vielzahl von magnetisch markierten Objekten kann dadurch erreicht werden, daß diese mit mehreren Magnetmustern der dargestellten Art versehen sind, die entweder nacheinander am Sensor vorbeigeführt werden, oder daß parallel mehrere Sensoren vorhanden sind.

Claims (8)

1. Magnetoresistive Sensoranordnung auf einem Chip (9) zur Messung örtlicher Verteilungen von Feldgradienten, mit magnetoresistiven Schichtstreifen (3), die parallel zu­ einander verlaufen und die Widerstände bilden, die als Spannungsteiler geschaltet sind und die Barberpolstruk­ turen aufweisen, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die Chipfläche in Richtung quer zur Längser­ streckung der magnetoresistiven Schichtstreifen (3) eine gerade Anzahl von nebeneinanderliegenden Berei­ chen (1) enthält, in denen jeweils gleich viele magnetoresistive Schichtstreifen (3) in gleicher Weise angeordnet sind,
• b) daß jeder Spannungsteiler eine ebenso große Anzahl von Widerständen wie nebeneinanderliegende Bereiche (1) aufweist,
• c) daß ein erster Widerstand jedes Spannungsteilers je­ weils aus einem durch Verbindungsleitungen (2) elek­ trisch in Reihe geschalteten magnetoresistiven Schichtstreifen (3) besteht, der sich in einem unge­ radzahligen Bereich (1) befindet, wobei ein zweiter Widerstand desselben Spannungsteilers jeweils aus einem durch die Verbindungsleitungen (2) elektrisch in Reihe geschalteten magnetoresistiven Schicht­ streifen (3) besteht, der sich in einem geradzah­ ligen Bereich (1) befindet, und bei mehr als zwei Widerständen pro Spannungsteiler eine entsprechende Aufteilung der Widerstände auf weitere ungerad- und geradzahlige Bereiche (1) erfolgt, die auf der Chip­ fläche in Richtung quer zur Längserstreckung der magnetoresistiven Schichtstreifen (3) liegen,
• d) daß für jeden Spannungsteiler aus jedem Bereich (1) nur ein magnetoresistiver Schichtstreifen (3) vor­ gesehen ist,
• e) daß die einen Spannungsteiler bildenden magneto­ resistiven Schichtstreifen gleiche Abstände vom Beginn des jeweiligen Bereiches (1) haben
• f) und daß alle magnetoresistiven Schichtstreifen (3) gleiche Barberpol-Dünnschichtstreifen (4) mit glei­ chen Winkeln (8) zu den magnetoresistiven Schicht­ streifen (3) aufweisen.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Schichtstreifen (3) in gleich­ mäßigem Abstand voneinander angeordnet sind und die An­ zahl der Spannungsteiler dem Quotienten aus der Länge des Bereichs (1) und dem Abstand entspricht.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände eines ersten und eines zweiten Spannungsteilers eine Wheatstonesche Brücken bilden.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (6, 7) der Spannungszuführung und der Ausgänge der Spannungsteiler auf einer Fläche am Rande des Chips (9) angeordnet sind, so daß sie sich einseitig außerhalb des Bereiches der Schichtstreifen (3) befinden.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Chips (9) im Bereich der Kontaktflä­ chen (6, 7) gegenüber der restlichen Chipfläche abgesenkt ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (8) zwischen der Längsrichtung der magne­ toresistiven Schichtstreifen (3) und der Längsrichtung der Barberpol-Dünnschichtstreifen (4) kleiner als 45° ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des Chips (9) zumindest in dem Bereich der Schichtstreifen (3) eine Abdeckung (10) trägt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur der Spannungsteiler Abgleichflächen vorgesehen sind.