DE9312674U1

DE9312674U1 - Magnetoresistiver Sensor

Info

Publication number: DE9312674U1
Application number: DE9312674U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-08-24
Filing date: 1993-08-24
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2003-08-25

Description

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Magnetoresistiver Sensor

Die Erfindung betrifft einen magnetoresistiven Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Magnetoresistive Sensoren (MR-Sensoren) messen Magnetfelder und enthalten im allgemeinen ein streifenförmiges magnetoresistives Dünnschichtelement (MR-Element) aus einem ferromagnetischen Übergangsmetall, das einen anisotropen Magnetowiderstand (AMR) aufweist. Das MR-Element wird über Elektroden mit einem elektrischen Strom I einer konstanten Richtung versorgt. Die Widerstandsänderung des MR-Elements ist abhängig von dem Winkel &phgr; zwischen der Magnetisierung M des MR-Elements und dem Strom I und gehorcht im wesentlichen einer cos²(&phgr;)-Abhängigkeit. Bei &phgr; = 0° oder &phgr; = 180°, d.h. bei einer parallelen bzw. antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierung M und des Stromes I , ist die Widerstandsänderung des MR-Elements null, so daß sein Widerstand dem normalen isotropen ohmschen Widerstand entspricht, und bei &phgr; = ± 90°, 0 d.h. bei einer orthogonalen Ausrichtung der Magnetisierung M und des Stromes I , ist die Widerstandsänderung gegenüber dem normalen isotropen Widerstand am größten. In einem Bereich um &phgr; = ± 45° ist die Widerstandsänderung weitgehend linear vom Winkel &phgr; abhängig und die Empfindlichkeit des Sensors am größten. Die Magnetisierung M des MR-Elements richtet sich ohne äußere Magnetfelder entlang einer Gleichgewichtslage niedrigster Energie aus, die von der Geometrie des Streifens abhängt und als Ruhe- oder Gleichgewichtsmagnetisierung Mg bezeichnet wird. Ein äußeres Magnetfeld mit einer Meßfeldkomponente Hjj senkrecht zur Magnetisierung M dreht nun die Magnetisierung M aus ihrer Gleichgewichtslage und verursacht dadurch eine Widerstandsänderung in dem MR-Element, die als Meßsignal erfaßt werden kann.

In zwei bekannten Ausführungsformen ist die Stromrichtung des Stroms I parallel zur Längsrichtung des MR-Elements gerichtet. In einer ersten dieser beiden Ausführungsformen ist das

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MR-Element mit einer Vorzugsachse versehen, die parallel zur Längsrichtung des MR-Elements verläuft. Man erhält in dieser Ausführungsform eine weitgehend quadratisch vom Meßfeld H_M abhängende Sensorkennlinie. In einer zweiten Ausführungsform ist die Vorzugsachse unter einem Winkel von 45° zur Längsrichtung des MR-Elements gerichtet. Dieser MR-Sensor zeichnet sich durch eine weitgehend lineare Kennlinie aus.

Es ist noch eine weitere Möglichkeit bekannt, eine lineare Kennlinie zu erreichen. Dabei wird die Richtung der Vorzugsachse und damit der Gleichgewichtsmagnetisierung Mq parallel zur Längsrichtung eingestellt , und die Stromrichtung des Stromes I wird gegen diese Vorzugsachse gedreht. Dies wird bewerkstelligt durch das Aufbringen von dünnen Leiterstreifen aus einem elektrisch gut leitenden Metall wie Gold auf das MR-Element, die alle unter einem Winkel von ±45° gegen die Längsrichtung des MR-Elements geneigt sind. Der Strom I fließt dann in dem MR-Element zwischen diesen Leiterstreifen im wesentlichen unter einem Winkel von -45° bzw. +45° zur 0 Längsrichtung und damit zur Gleichgewichtsmagnetisierung Mq . Solche MR-Sensoren werden als Barber-pole-Sensoren bezeichnet (BoIl und Overshott, "Sensors, Vol.5 Magnetic Sensors" (1989) , Seiten 350-355) .

Im allgemeinen wird das MR-Element zur Stabilisierung der Sensorkennlinie in einem äußeren Biasfeld Hg angeordnet ist. Bei den beiden erstgenannten Ausführungsformen mit einfachen MR-Elementen ist das Biasfeld Hg entweder senkrecht oder parallel zur Vorzugsachse des MR-Elements gerichtet. Es hat sich bei der Ausführungsform mit einer um ±45° zur Längsrichtung geneigten Vorzugsachse gezeigt, daß bei einem senkrecht zur Vorzugsachse eingestellten Biasfeld H_B die Meßempfindlichkeit für ein senkrecht zum Biasfeld Hg angelegtes Meßfeld Hjj deutlich größer ist als bei einem parallel zur Vorzugsachse gerichteten Biasfeld H_B ("Phys. stat. sol. (a)", Band 60, 1980, Seiten 467-473).

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Bei Barber-pole-Sensoren ist hingegen das Biasfeld Hg immer parallel zur Vorzugsachse und damit zur Längsrichtung gerichtet (BoIl und Overshott, "Sensors, Vol.5 Magnetic Sensors" (1989), Seiten 350-355).
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Die bekannten MR-Sensoren haben eine Richtung maximaler Meßempfindlichkeit. Der MR-Sensor spricht also auf eine MeSfeldkomponente eines äußeren Magnetfelds in dieser Richtung am empfindlichsten an.

Gemäß der mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beanspruchten Erfindung wird eine alternative Ausführungsform eines magnetoresistiven Sensors mit wenigstens einem MR-Element angegeben, bei der insbesondere die Richtung maximaler Meßempfindlichkeit für eine beliebig vorgegebene Vorzugsachse des MR-EIements in einer beliebig vorgegebenen Richtung eingestellt werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

FIG. 1 ein Ausführungsbeispiel eines MR-Sensors ohne äußere Felder und

FIG. 2 und 3 jeweils eine Ausführungsform eines MR-Sensors mit einem in einem Biasfeld angeordneten MR-Element jeweils in einer Draufsicht schematisch dargestellt sind. Einander entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen verse-0 hen.

In der Ausführungsform des MR-Sensors gemäß FIG.l sind ein MR-Element mit 2, seine Längsrichtung mit x, seine Länge mit 1, seine Breitenrichtung mit y und Breite mit w, seine Vor-5 zugsachse mit A, der von der Vorzugsachse A und der Längsrichtung eingeschlossene Winkel mit &agr;, ein Anisotropiefeld mit 1% , der von diesem Anisotropiefeld Hj^ und der Längsrich-

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tung eingeschlossene Winkel mit K, ein sich durch die Projektion dieses Anisotropiefeldes H^ auf die Vorzugsachse A ergebendes Drehmomentfeld mit H^, ein senkrecht zur Längsrichtung gerichtetes entmagnetisierendes Feld mit H^, ein charakteristisches Feld mit Hg, eine Gleichgewichtsmagnetisierung mit Mq und eine Achse maximaler Meßempfindlichkeit mit D bezeichnet. Alle betrachteten Richtungen, Achsen und Felder liegen dabei in einer durch die x-Richtung und die y-Richtung aufgespannten Schichtebene des MR-Elements 2.

Das MR-Element 2 besteht aus einem mit einer permanenten Magnetisierung M magnetisierten magnetoresistiven Material, vorzugsweise einem ferromagnetisehen Übergangsmetall wie Eisen (Fe) oder Nickel (Ni) oder einer Legierung aus solchen Metallen wie beispielsweise einer NiFe-Legierung und ist vorzugsweise streifenförmig ausgebildet. In das MR-Element 2 ist die Vorzugsachse A eingeprägt, die unter einem beliebigen Winkel &agr; zur Längsrichtung (x-Achse) geneigt sein kann. Die Vorzugsachse A entspricht einer Stabilitätslage geringster 0 magnetischer Energie, in der auf die Magnetisierung M des MR-Elements 2 kein Drehmoment mehr wirkt. Die Länge 1 des MR-Elements 2 ist größer als seine Breite w. Vorzugsweise ist auch die nicht dargestellte Dicke t des MR-Elements 2 kleiner gewählt als seine Breite w. Die Länge 1 des MR-Elements 2 wird vorzugsweise zwischen 200|im und 3000&mgr;&tgr;&eegr;, die Breite w vorzugsweise zwischen 50&mgr;&idiagr;&eegr; und 500|±m und die Dicke t vorzugsweise zwischen 15nm und lOOnm gewählt. Bei vorgegebenen geometrischen Abmessungen des MR-Elements 2, d.h. bei Vorgabe von Länge 1, Breite w und Dicke t bei einem 0 streifenförmigen MR-Element 2, und einer vorgegebenen Anxsotropiekonstanten K der Vorzugsachse A stellen sich die Magnetisierung M und das entsprechende parallel zur Magnetisierung M gerichtete Anisotropiefeld H^ in dem MR-Element 2 ohne äußere Felder in einer Gleichgewichtsrichtung ein, die im allgemeinen zwischen der Vorzugsachse A und der Längsrichtung liegt. Der Winkel K des Anisotropiefeldes Hj^ zur Längsrichtung ist somit im allgemeinen betragsmäßig

kleiner als der Winkel &agr; der Vorzugsachse A zur Längsrichtung. Die Feldstärke H^ des Anisotropiefeldes H^ ist gleich 2K/Mg mit der Sättigungsmagnetisierung Mg des MR-Materials. Diese Sättigungsmagnetisierung Mg Die Magnetisierung M in dieser Gleichgewichtsrichtung ist als Gleichgewichtsmagnetisierung Mq bezeichnet. Das entmagnetisierende Feld Hj) entspricht der Projektion der Gleichgewichtsmagnetisierung Mq auf eine äußere Normale zur Längsrichtung und hat den Betrag N-Mg-sin(K) mit dem entmagnetisierenden Faktor N. Dieser entmagnetisierende Faktor N hängt von der Geometrie des MR-Elements 2 ab und ist bei streifenförmiger Geometrie proportional zum Verhältnis von Dicke t zu Breite w des MR-Elements 2. Je kleiner das entmagnetisierende Feld H-Q₁ desto näher an der Vorzugsachse A liegt die Gleichgewichtsmagnetisierung Mq.

Durch ihre von der Vorzugsachse A abweichende Lage wird auf die Gleichgewichtsmagnetisierung Mq ein Drehmoment hin zur Vorzugsachse ausgeübt, das durch das parallel zur Vorzugsachse gewählte Drehmomentfeld H^ repräsentiert werden kann und gleich dem Kreuz- oder Vektorprodukt aus der Magnetisierung und dem Drehmomentfeld multipliziert mit der absoluten Permeabilitätskonstanten ist. Das für das MR-Element 2 vorgegebener geometrischer Abmessungen und Materialeigenschaften charakteristische Feld Hg ist gleich der Summe Hj^ + Hj) aus dem Drehmoment feld H^ und dem entmagnetisierenden Feld Hq .

Um nun die Stabilitätslage der Magnetisierung M des MR-Elements 2, d.h. seine Gleichgewichtsmagnetisierung Mq, und somit die orthogonal zu dieser Stabilitätslage gerichtete Achse D maximaler Meßempfindlichkeit entlang einer vorgegebenen Richtung auszurichten, wird das MR-Element 2 in einem Biasfeld angeordnet.

In den Ausführungsbeispielen gemäß den FIG. 2 und 3 sind für ein MR-Element 2 mit gleichem charakteristischen Feld Hg wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG. 1 zwei unterschiedliche

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Achsen D maximaler Meßempfindlichkeit eingestellt. Es sind jeweils sind ein äußeres Biasfeld mit Hg und der von diesem Biasfeld Hg und der Längsrichtung (x-Richtung) eingeschlossene Winkel mit &bgr; bezeichnet. Das Biasfeld Hg ist gemäß der Erfindung so auszurichten, daß sich in der vektoriellen Summe des Biasfeldes Hg zusammen mit dem charakteristischen Feld Hg des MR-Elements 2 ein Gleichgewichtsfeld H_T = Hg + Hg = Hg + H_D + H_A ergibt, das parallel zu der vorgegebenen Richtung gerichtet ist. Die Gleichgewichtsmagnetisierung Mg des MR-Elements 2 richtet sich nun parallel zu diesem Gleichgewichtsfeld Hip aus. Die Achse D maximaler Meßempfindlichkeit ist orthogonal zum Gleichgewichtsfeld H_T gerichtet. Das bedeutet, daß der MR-Sensor für ein Meßfeld H_M in dieser zum Gleichgewichtsfeld H_T senkrechten Achse D am empfindlichsten ist. Das Gleichgewichtsfeld Hip und das Anisotropiefeld H^ sind parallel zueinander gerichtet.

Bei Vorgabe der in an sich bekannter Weise einstellbaren Sättigungsmagnetisierung Mg, der geometrischen Abmessungen , insbesondere der Längsrichtung, der Vorzugsachse A und ihres Winkels &agr; zur Längsrichtung sowie der Anisotropiekonstanten K des MR-Elements 2 kann somit eine beliebige Achse D maximaler Meßempfindlichkeit des MR-Sensors durch eine 5 entsprechende Wahl der Richtung und Größe des externen Biasfeldes Hg eingestellt werden. Zur Einstellung des Biasfeldes Hg kann eine relativ zum MR-Element 2 in einer zu dessen Schichtebene (x-y-Ebene) parallelen Ebene drehbare und in ihrer Stärke steuerbare Magnetfeldquelle, beispielsweise 0 eine Magnetfeldspule oder ein auch in seiner Entfernung zum

MR-Element steuerbarer Permanentmagnet, vorgesehen sein. Dabei können nur die Magnetfeldquelle oder nur das MR-Element oder auch beide gedreht und/oder in ihrem Abstand zueinander variiert werden.
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Die Feldstärke H<p des Gleichgewichtsfeldes Hip wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kleiner als die Feld-

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stärke H^ des Anisotropiefeldes H_K eingestellt. Das Verhältnis Hrp/&EEgr;&kgr;; der beiden Feldstärken liegt vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,9. In dieser Ausführungsform erreicht man neben der Einstellung der Achse D maximaler Meßempfindlichkeit eine zusätzliche Erhöhung der Meßempfindlichkeit insbesondere in Richtung der Achse D, da die Gleichgewichtsfeldstärke H_T näher an dem kritischen Punkt liegt, in dem die stabile Gleichgewichtslage der Magnetisierung M in eine labile Gleichgewichtslage übergeht. In einer besonderen Ausführungsform kann durch eine entsprechende Änderung des Biasfeldes Hg die Achse D maximaler Empfindlichkeit einem sich mit der Zeit in seiner Richtung ändernden Meßfeld angepaßt werden. Dies kann bei bekanntem zeitlichen Verlauf der Meßfeldrichtung durch eine entsprechende Steuerung und bei nicht bekanntem Verlauf beispielsweise durch eine Regelung des Biasfeldes Hg erfolgen.

Das MR-Element 2 ist mit nicht näher dargestellten elektrischen Kontakten versehen, über die in dem MR-Element 2 ein 0 elektrischer Strom I mit einer wenigstens annähernd konstanten Richtung erzeugt werden kann. Die Stromrichtung kann parallel zur Längsrichtung des MR-Elements 2 verlaufen, jedoch auch gegen die Längsrichtung geneigt sein. Um eine lineare Kennlinie des MR-Sensors zu erhalten, sind das Gleichgewichtsfeld Hip und damit die Gleichgewichtsmagnetisierung Mg gegen den Strom I vorzugsweise unter einem Winkel von ±45° oder ±135° geneigt.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist das MR-EIe-0 ment 2 mit schräg zur Längsrichtung und parallel zueinander angeordneten Streifen aus einem elektrisch besser leitfähigen Material als das MR-Material wie beispielsweise Gold (Au) versehen, die beispielsweise photolithographisch aufgebracht werden. Der Neigungswinkel dieser Streifen zur Längsrichtung beträgt vorzugsweise ein ungeradzahliges Vielfaches von 45°. In dieser Ausführungsform eines sogenannten Barber-pole-Sensors ist der Strom I durch das MR-Element 2 um einen Winkel

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gegen die Längsrichtung geneigt, der von der Polung der an den Kontakten angelegten Spannung und dem Neigungswinkel der Leiterstreifen abhängt. Bei einem Neigungswinkel der Streifen, der einem ungeradzahligen Vielfachen von 45° entspricht, ist der Winkel der Stromrichtung zur Längsrichtung ebenfalls ein ungeradzahliges Vielfaches von 45°.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist das Biasfeld Hg antiparallel zum charakteristischen Feld Hg gerichtet und in seinem Betrag gleich groß, d.h. Hg = — Hg. In diesem Fall gilt für das Gleichgewichtsfeld Hrp = 0.

In einer ebenfalls nicht dargestellten, besonders vorteilhaften Ausführungsform des MR-Sensors ist das MR-Element mit einer Vorzugsachse A versehen, die wenigstens annähernd senkrecht zur Längsrichtung gerichtet ist, d.h.

deren Winkel &agr; zur x-Achse etwa gleich 90° ist. Es wird ferner das charakteristische Feld Hg = 0 gewählt. Man erhält so ein isotropes Verhalten des MR-Elements 2 ohne äußere Felder. Das Gleichgewichtsfeld H_T entspricht dann direkt dem Biasfeld Hg.

In einer vorteilhaften, ebenfalls nicht dargestellten Ausführungsform des MR-Sensors sind zwei oder vier Teilsensoren aus einer vorzugsweise gleichen Anzahl von elektrisch in Reihe geschalteten MR-Elementen 2 in eine Wheatstonebrücke geschaltet. Die Gleichgewichtsmagnetisierungen Mq der einzelnen MR-Elemente eines Teilsensors sind dabei parallel 0 zueinander gerichtet. Vorzugsweise wechseln sich bei einer Ausführungsform mit vier Teilsensoren in der Ringschaltung der Brücke Teilsensoren mit einer in Abhängigkeit vom Meßfeld positiven Widerstandsänderung und Teilsensoren mit einer negativen Widerstandsänderung ab. Solche Brückenschaltungen sind an sich bekannt, beispielsweise aus der bereits genannten Literaturstelle "Sensors a.a.O." auf den Seiten 352 und 367-370. Die unterschiedlichen Vorzeichen der

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Widerstandsänderungen der einzelnen Teilsensoren werden durch eine entsprechende Ausrichtung der in jedem Teilsensor vorzugsweise zueinander parallelen Stromrichtungen in den MR-Elementen und der Gleichgewichtsmagnetisierungen Mq dieser MR-Elemente zueinander eingestellt. Bei Einprägen eines konstanten Stromes in die Brücke erhält man ein an einer Diagonalen der Brücke abgreifbares Sensorsignal mit einer linearen Kennlinie und mit hoher Empfindlichkeit.

Claims

33 G 3 k 5 1 DE Schut zansprüche

1. Magnetoresistiver (MR) Sensor mit

a) wenigstens einem in einer Längsrichtung bevorzugt

ausgedehnten MR-Element (2) vorgegebener geometrischer Abmessungen (l,w,t), das mit einer magnetischen Vorzugsachse (A) mit einer vorgegebenen Anisotropiekonstanten K versehen ist und in einem Biasfeld (Hg) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß

b) die Achse (D) maximaler Meßempfindlichkeit bei beliebiger Richtung der Vorzugsachse (A) durch ein in seiner Stärke und Richtung steuerbares Biasfeld (Hg)einstellbar ist.

2. MR-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das MR-Element mit zu seiner Längsrichtung geneigten Streifen aus einem elektrisch gut leitenden Material versehen ist.

3. MR-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vier Teilsensoren mit jeweils wenigstens einem MR-Element vorgesehen sind und diese Teilsensoren in eine Wheatstone-Brücke geschaltet sind.

4. MR-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brückenschaltung Teilsensoren mit unterschiedlichen Vorzeichen ihrer Widerstandsänderung einander abwechseln.