DD275745A1 - MAGNETIC FIELD EFFECTING ELEMENT WITH FOUR RESISTANT MAGNETIC FIELD-RESISTANT IN A BRIDGE CIRCUIT - Google Patents
MAGNETIC FIELD EFFECTING ELEMENT WITH FOUR RESISTANT MAGNETIC FIELD-RESISTANT IN A BRIDGE CIRCUIT Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Linearisierung der Uebertragungskennlinie eines magnetischen Feldeffekt-Bauelementes aus magnetoresistiven ferromagnetischen duennen Schichten. Die Linearisierung wird dadurch erreicht, dass jeder Brueckenwiderstand mindestens einen Bereich enthaelt, dessen Widerstandswert sich bei Stromfluss durch einen Steuerleiter gegenlaeufig aendert. In dem genannten Bereich hat der Steuerleiter eine geringere Breite. Zur ueberblicksmaessigen Erlaeuterung der Erfindung ist Figur 1 geeignet. Fig. 1The invention relates to the linearization of the transfer characteristic of a magnetic field effect component made of magnetoresistive ferromagnetic thin layers. The linearization is achieved in that each bridge resistor contains at least one region, the resistance value of which changes in the opposite direction when current flows through a control conductor. In the said area, the control conductor has a smaller width. For an overview of the invention, FIG. 1 is suitable. Fig. 1
Description
Charakteristik des bekannten Stande· der TechnikCharacteristic of the known state of the art
Magnetische Feldeffekt-Bauelement mit viel zu einer Brückenschaltung angeordneten magnetfoldabhängigen Widerständen aus mehreren hintereinandergeschalteten einachslg-forromagnMlschen Schichtstreifen sind bekannt. Eine solche Anordnung wird z. B. in der Patentschrift DD165220 beschrieben. FQr die Mehrzahl der Anwendungen ist für das Feldeffokt-Bauelement eine lineare Übertragungsfunktion erforderlich. Da der Arbeitsbereich von aus olnachsig-ferromagnetischen Schichten aufgebauten Sensoren, deren Widerstandsänderung Im Magnetfeld durch eine Drehung der Magnetisierung in den Schichtstreifen bedingt Ist, prinzipiell eingeschränkt ist und nur ein Bruchteil dieses Arbeitsbereiches, der bei den beschriebenen Anordn· >ig«n bei etwa einem Drittel liegt, einen genügend linearen Zusammenhang zwischen Eingangsstrom und Ausgangsspannung aufweist, Ist diese sehr wichtige Forderung nur sehr unzureichend erfüllt.Magnetic field-effect components with magnet-pole-dependent resistors arranged a great number of in a bridge circuit and made up of a plurality of series-connected, uniaxial-crystalline layers are known. Such an arrangement is z. As described in the patent DD165220. For the majority of applications, the field effect device requires a linear transfer function. Since the working range of sensors constructed from olefin-ferromagnetic layers whose resistance change in the magnetic field is caused by a rotation of the magnetization in the layer strip is limited in principle and only a fraction of this working range, in the case of the described arrangements at approximately one Third, has a sufficiently linear relationship between input current and output voltage, this very important requirement is fulfilled only very inadequate.
In der Patentanmeldung WP QOI R/3037890 wird für Magnetfeldsensoren, bei denen jedjch im Unterschied zu dem hler behandelten Feldeffekt-Bauelement der Stromleiter für den Eingangsstrom nicht vorhanden ist, bereits eine Möglichkeit der Erweiterung des Unoaritätsberelches der Übertragungskennlinie angegeben, die dadurch erreicht wird, daß jeder Elnzolwldorstand der Brücke olnen Bereich mit jeweils gegenläufiger Widerstandsänderung und leichterer DrehbarMt der Magnetisierung enthält. In dor Anordnung wird das durch größere Stroifonbrelte oder kleinere Schichtdicke im sich gegenläufig ändernden Widerstandsborelch gewährleistet. Als Nachteil dieser Anordnung erweist sich jedoch, daß eine gute Linearisierung der Übortragungskennllnle nur für einen ganz bestimmten Wert des zum Betrieb des Sensors als analoges Meßelement notwendigen Hllfsmagnotfoldos In WldorstanüBstrolfonlängsrlchtung möglich ist und daß nur für extreme, schwer realisierbare Verhältnleje der Schichtbreiten oder -dicken dar Wert des Hilfemagnetfeldes so groß gemacht werden kann, daß er zur Stabilisierung dor Magnetisierungsrichtung In den Schichtstreifen und zur Vermeidung von Hysterese in der Übertragungekennlinie ausreichend Ist.In the patent application WP QOI R / 3037890 for magnetic field sensors, in which each of which, unlike the bulb treated field effect device of the current conductor for the input current is not present, already indicated a way of extending the Unoaritätsberelches the transfer characteristic, which is achieved in that Each level of the bridge bridge contains an area of opposing resistance change and a lighter turn of the magnetization. In dor arrangement is ensured by larger Stroifonbrelte or smaller layer thickness in the counter-rotating resistance Borelch. A disadvantage of this arrangement, however, proves that a good linearization of the Übortragungskennllnle is necessary only for a very specific value of the operation of the sensor as an analog measuring element Hllfsmagnotfoldos In WldorstanüBstrolfonlängsrlchtsrung and that only for extreme, difficult to achieve Verhältnleje the layer widths or thicknesses value of the auxiliary magnetic field can be made so large that it is sufficient for stabilizing the direction of magnetization in the layer strips and to avoid hysteresis in the transmission characteristic.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Des Ziel der Erfindung besteht darin, die Anordnung eines magnetischen Feldeffekt-Bauelementes mit vier zu einer Brückenschaltung angeordneten magnetfeldabhängigen Widerständen und einem, durch eine spannungsfeste Isolationsschicht potentielfreien, Steuerleiter anzugeben, das einen großen Arbeitsbereich mit linearer Übertragungsfunktion aufweist und dabei In solchen Hilfsfeldern in Längsrichtung der magnetfeldabhängigen Widerstände arbeitet, die für den stabilen und hyste'.esefreien Betrieb des Elementes ausreichend sind.The object of the invention is to provide the arrangement of a magnetic field effect device with four arranged to a bridge circuit magnetic field-dependent resistors and a potential-free by a voltage-proof insulation layer, control conductor, which has a large working range with linear transfer function and doing in such auxiliary fields in the longitudinal direction of Magnetic field dependent resistors works, which are sufficient for the stable and hyste'.efree operation of the element.
Darlegung des Wesen» d*r ErfindungPresentation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein r-.agnetisches Feldeffekt-Bauelement mit vier zu einer Brückenschaltung angeordneten magnetfeldabhängigen Widerotänden und einem Steuerleiter zu schaffen, dessen Linearität in derThe invention has for its object to provide a r-magnetic field effect device with four arranged to a bridge circuit magnetic field-dependent Widerotänden and a control conductor whose linearity in the
Übertragungsfunktion nicht auf den Bereich geringer Aussteuerung beschränkt ist und bei dem die Linearisierung derTransfer function is not limited to the range of low modulation and in which the linearization of
Übertragungskennlinie nicht zu Einschränkungen des zur stabilen und hysteresefreien Funktion notwendigen Hilfsfeldes oder zur starken Vergrößerung das Flächenbedarfs pro Bauelement und damit zu einer aufwendigeren Herstellung führt. Die Aufgabe wird dadurch getost, daß die ferromagnetische Schichtstreifen jeden Widerstandes der Brücke erfindungsgemäß einen oder mehrere Bereiche enthalten, deren Widerstandswert sich bei St'omfluß durch den Steuerleiter gegenläufig zu dem der übrigen Schichtstreifen desselben Widerstandes ändert und daß der Steuerleiter über diesen Rereichen schmaler als der über den übrigen Schichtstreifen angeordnet ist.Transfer characteristic does not lead to limitations of the need for stable and hysteresis-free function auxiliary field or to greatly increase the space requirement per component and thus to a more complex production. The object is achieved by the fact that the ferromagnetic layer strips of each resistor of the bridge according to the invention contain one or more areas whose resistance changes in St'omfluß by the control conductor in opposite directions to that of the other layer stripe of the same resistance and that the control conductor over these Rereichen narrower than that is arranged over the remaining layer strip.
Die Bauelementekonstruktion der magnetoresistiven Sensoren ist so ausgeführt, daß ohne Stromfluß durch den Steuerleiter zwischen Strom- und Magnetisierungsrichtung der magnetoresistiven Dünnschichtstreifen ein Winkel von 45° besteht. Ein Strom durch den Steuerleiter erzeugt ein Magnetfeld und bewirkt damit eine Veränderung dieses Winkels. Bei einem Winkel von 0° ist der Streifenwiderstand maximal, bei 90° minimal. Für einen der Brückenwiderstände wird mit Ausnahme mindestens eines Bereiches bei Stromfluß durch den Steuerleiter ein Magnetfeld erzeugt, daß dem Winkel zwischen Strom- rnd Magnetisierungsrichtung In den magnetoresistiven Dinnschichtstreifen von 45° aus verkleinert und so zu einer nichtlinearen Widerstandserhöhung diesesTelles des Widerstandes führt. Im ausgenommenen Bereich wird durch den Stromfluß der Winkel vergrößert und damit nimmt hier der Widerstand ab. Der Bereich wird von so einer Größe gewählt, daß eine Widerstandsänderung gerade die Nichtlinearität der Widerstandsänderung des Hauptteiles des Widerstandes aufliebt. Dabei ist jedoch im Bereich der gegenläufigen Widerstandsänderung eine stärkere Drehung der Magnetisierungsrichtung als im Hauptteil des Widerstandes erforderlich. Diese wird dadurch erreicht, daß der Steuerleiter über dem sich gegenläufig ändernden Bereich schmaler ausgebildet ist als über dem Hauptteil der Widerstandsstreifen und so bei gleichem Strom eine höhere Magnetfeldstärke auf den magnetoresistiven Schichtstreifen einwirkt. Da diese stärkere Drehung der Magnetisierung durch das von außen auf den magnetoresistiven Schichtstreifen wirkende Feld und nicht d urch diese Schichtstreifen selbst bewirkt wird, ist sie bei allen Hilfsfeldern in Längsrichtung der Schichtstreifen zur Empfindlichkeitseinstellung und Hystereseunterdrückung gegeben und führt zu keiner Begrenzung für die Stärke des Hilfsfeldes. Die drei weiteren Widerstände der Brücke verhalten sich entsprechend dem beschriebenen und sind in bekannter Weise so verbunden, daß sich das maximal mögliche Brückenausgangsslgnal bei jeweils gleicher Widerstandsänderung aller Widerstände ergibt. Der Ausgangswinkel zwischen Magnetlsiorunpsrichtung und Stromrichtung In den magnetoresistiven Schichtstreifen, der vorzugsweise 45° beträgt, ist dadurch gegeben, daß die ferromagnetischen Schichtstreifen in gleichmäßigen Abständen mit Leitschichtstreifen versehenThe device construction of the magnetoresistive sensors is designed so that without current flow through the control conductor between the current and magnetization direction of the magnetoresistive thin-film strip is an angle of 45 °. A current through the control conductor generates a magnetic field and thus causes a change in this angle. At an angle of 0 ° the strip resistance is maximal, at 90 ° minimal. For one of the bridge resistors, with the exception of at least a portion of the current flowing through the control conductor, a magnetic field is generated which reduces the angle between the current magnetization direction In the magnetoresistive dice strips from 45 °, thus resulting in a non-linear increase in the resistance of that resistor. In the recessed area the angle is increased by the flow of current and thus decreases the resistance here. The range is chosen to be such that a change in resistance just negates the non-linearity of the change in resistance of the main part of the resistor. However, a stronger rotation of the magnetization direction than in the main part of the resistance is required in the region of the opposing change in resistance. This is achieved in that the control conductor over the counter-rotating region is narrower than over the main part of the resistor strips and thus acts at the same current, a higher magnetic field strength on the magnetoresistive layer strip. Since this greater rotation of the magnetization is caused by the field acting on the outside of the magnetoresistive stripe and not by these striations itself, it is given in the lengthwise direction of the striplets for sensitivity adjustment and hysteresis suppression in all auxiliary fields and does not limit the strength of the auxiliary field , The three other resistors of the bridge behave in accordance with the described and are connected in a known manner so that the maximum possible Brückenausgangsslgnal results in each case the same resistance change of all resistors. The output angle between the magnetic direction and the current direction in the magnetoresistive layer strip, which is preferably 45 °, is given by the fact that the ferromagnetic layer strips provided at uniform intervals with conductive layer strips
sind, deren Längsrichtung mit der der ferromagnetischen Schichtstreifen einen bestimmten Winkel bildet und wobei in den jare whose longitudinal direction with the ferromagnetic layer strips forms a certain angle and wherein in the j
Bereichen mit gegenläufiger Widerstandsänderung dieser Winkel den gleichen Betrag aber das entgegengesetzte Vorzeichen ' iAreas with opposite resistance change of these angles the same amount but the opposite sign 'i
hat. _ ! !Has. _! !
Die Linearisierung der Übertragungskennlinlo des Bauelementes erfordert keinen zusätzlichen Herstellungsaufwand, da die ,The linearization of the transfer characteristic of the component does not require any additional production effort, since the
Bereiche mit gegenläufiger Widerstandsänderung aus gleichem Material bestehen wie der Hauptteil der ferromagnetischen iRegions with opposite resistance change of the same material as the main part of the ferromagnetic i
Schichtstreifen und von gleicher Breite und Dicke sind. Die sich gegenläufig ändernden Bereiche sind jedoch von den übrigenLayer strips and of equal width and thickness. However, the opposing areas are different from the rest
Bereichen durch eine in demselben Herstellungsprozeß einfach realisierbare Unterbrechung magnetisch von dem Hauptteil der jAreas magnetically separated from the main body of the j by an interruption easily realizable in the same manufacturing process
Schichtstreifen getrennt und elektrisch mittels unmagnetischer Leiterstreifen verbunden, damit die erforderliche : · Layer strip separated and electrically connected by means of non-magnetic conductor strip, so that the required: ·
unterschiedliche Drehung der Magnetisierungsrichtung nicht behindert wird.different rotation of the magnetization direction is not hindered.
Vorzugsweise wird die Struktur des Feldeffekt-Bauelementes so gestaltet, daß jeder Widerstand aus einer geradzahligen Anzahl von ferromagnetischen Schichtstreifen bosteht, die jeweils einon Bereich mit gegenläufiger Widerstandsänderung enthalten und die derart verbunden sind, daß eine mäanderförrnige Struktur entsteht. Der Steuerieiter hat ebenfalls eine mäanderförmigePreferably, the structure of the field-effect device is designed so that each resistor consists of an even number of ferromagnetic layer strips, each containing a region of opposite resistance change and connected so as to form a meander-shaped structure. The Steuerieiter also has a meandering
Struktur. So wird es möglich, daß eich alle Anschlüsse für die Widerstandsbrücke an der einen Seite der Struktur befinden und 'Structure. So it becomes possible that all connections for the resistance bridge are located on one side of the structure and '
die Anschlüsse für den Steuerleiter auf der gegenüberliegenden. So wird eine hohe Durchschlagsspannung zwischen dem Eingangskreis, der den Steuerleiter enthält und dem Ausgangskreis, der die Widerstandsbrücke enthält, gewährleistet.the connections for the control conductor on the opposite. Thus, a high breakdown voltage is ensured between the input circuit containing the control conductor and the output circuit containing the resistance bridge.
Gleichzeitig wird durch diese Anordnung erreicht, daß äußere Störfeloor sein Ausgangssignal im Ausgangskreis erzeugen.At the same time is achieved by this arrangement that outer Störfeloor produce its output signal in the output circuit.
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Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbelspiol näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung ze' jt Fig. 1 die Aufsicht auf QiIn, auf einem Substrat befindlichem, magnetisches Feldeffekt-Bauelement In Brückenschaltung mit Steuerleiter 3 ; ; und Flg. 2 dio Abhängigkeit der Widerstandsänderung vom anr elegten Magnetfeld für einen Brückwlderotand, Die Darstellung \ , In Flg. 11st nicht maßstäblich. Insbesondere Ist das Verhältnis /on Streifenbreite und Streifenlänge In der Zeichnung wesentlich geringer gewählt als In wirklichen Anordnungen. Im Mittelteil der Zeichnung Ist der Steuerleiter 3 weggelassen. Die Isolation j 'The invention will be explained in more detail below in an Ausführungsbelspiol. In the accompanying drawing, FIG. 1 shows the plan view of QiIn on a magnetic field effect component located on a substrate. In bridge circuit with control conductor 3 ; ; and Flg. 2 Dio dependence of the change in resistance on the anr magnetic field for a Brückwlderotand, The representation \ , In Flg. 11st not to scale. In particular, the ratio / on stripe width and stripe length is chosen to be much lower in the drawing than in actual arrangements. In the middle part of the drawing, the control conductor 3 is omitted. The isolation j '
zwischen WiderstandsbrOcko und Steuorleiter 3 Ist nicht dargestellt worden, um die darunterliegende Struktur sichtbar zu machen. Jodor zwischen zwei Anschlußkontakten 1 der Brücke liegende Widerstand besteht aus zwei elektrisch hintereinander ' geschalteten ferromagnetischen Schlchütrelfen 2. Jeder ferromagnetische Schichtstreifen 2 enthält einen Bereich 4, In dem die i j Widerstandsänderung durch e'nen Strom Im Stouerleiter gegenläufig zu uar Im übrigen Teil des Schichtstreifens 2 erfolgt. Wie ·between resistor bridge and controller 3 Has not been shown to visualize the underlying structure. The resistance lying between two terminal contacts 1 of the bridge consists of two ferromagnetic strips 2 connected in series. Each ferromagnetic layer strip 2 contains a region 4 in which the resistance change is reversed by a current in the stub conductor in the opposite direction in the remaining part of the layer strip 2 he follows. As ·
Im mittleren Teil der Darstellung ersichtlich, wird das dadurch erreicht, daß die ferromngnetlschen Schichtstreifen 2 mit jIn the middle part of the illustration, this is achieved in that the ferromagnetic layer strips 2 with j
Leitschichtstreifen 5 versehen sind, die mit der Längsrichtung der Schichtstreifen 2 einen Winkel 6 bilden, der im Bereich 4 von gleichem Betrag ist wie im übrigen Tel! des Schichtstreifens 2, aber das entgegengesetzte Vorzeichen hat. Die ihren Widerstandswert gegenläufig ändernden Bereiche 4 der ferromagnetischen Schichtstreifen 2 sind von den übrigen durch eine Unterbrechung derselben getrennt. Die elektrische Verbindung ist durch unmagnetische Leiterstreifen 7 hergestellt. Schichtmaterial, -breite und -dicke sind bei "Ilen ferromagnetischen Schichtstreifen gleich. Im dargestellten Beispiel hat der Winkel 6 einen Betrag von 45°. Die Leitschichtstreifen 5 sorgen dafür, daß die Stromrichtung in den ferromagnetischen Schichtstreifen 2 gegen die Längsrichtung derselben gedreht ist, im dargestellten Beispiel um 45° bzw. -45°. Der durch den Steuerleiter 3 fließende Strom erzeugt am Ort der ferromagnetischen Schichtstreifen 2 ein Magnetfeld in Streifenebene und senkrecht zur Längsrichtung derselben. Dieses bewirkt eine Drehung der Magnetisierung in den ferromagnetischen Schichtstreifen 2 in Feldrichtung. Die dadurch auftretende Widerstandsänderung für einen Brückwiderstand ist in Fig. 2 über dem Strom im Steuerleiter 3 aufgetragen. Im Ha'-ptteil ändert sich der Widerstand entsprechend Kurve 9 mit beträchtlicher NIchtlinearität. Pig Widerstandsänderung des gegenläufigen Bereiches 4 erfolgt gemäß der Kurve 10. Diese erreicht das Maximum ihres Betrages bereits bei einem Strom, der wesentlich unter dem Stromwert liegt, bei dem der übrige Teil des ferromagnetischen Schichtstreifens 2 sein Maximum der Widerstandsänderung erreicht. Das wird dadurch bewirkt, daß der Steuerleiter 3 im Bereich 4 des ferromagnetischen Schichtstreifens 2 eine wesentlich geringere Breite besitzt als im übrigen Teil, wodurch das Magnetfeld im genannten Bereich einen um das Verhältnis der Breiten des Steuerleiters 3 höheren Wer* hat. Als Gesamtänderung eines Widerstandes der Brücke ergibt sich dann die Kurve 11, die einen weitestgehend linearen Verlauf besitzt. Für die übrigen drei Brückenwiderstände gelten entsprechende Kurven, wobei jeweils zwei bei Stromfluß durch den Steuerleiter 3 zunehmen und zwei abnehmen. Bei linear verlaufenden Brückwiderständen verläuft auch das Brückenausgangssignal in Abhängigkeit vom Strom durch den Steuerleiter 3 linear. Zur Schaltung als Brücke werden die beiden äußeren Anschlußkontakte 1 der Brücke zusammen mit olnem Pol der Betriebsspannung und der mittlere Anschlußkontakt 1 der Brücke mit dem anderen Pol verbunden. Die linear mit dem in die Anschlußkontakte 8 des Steuerleiters 3 eingespeisten Strom zusammenhängende Ausgangsspannung wird an dem zweiten und vierten Anschlußkontakt 1 der Brücke abgenommen.Leitschichtstreifen 5 are provided which form an angle 6 with the longitudinal direction of the layer strip 2, which is in the area 4 of the same amount as in the rest Tel! of the stripe 2, but has the opposite sign. The regions 4 of the ferromagnetic layer strips 2 which change their resistance in opposite directions are separated from the others by an interruption thereof. The electrical connection is made by non-magnetic conductor strips 7. The layer material, width and thickness are the same in the case of a single ferromagnetic layer strip In the example shown, the angle 6 has an angle of 45.degree .. The conductor strip strips 5 ensure that the current direction in the ferromagnetic layer strip 2 is rotated in the longitudinal direction thereof The current flowing through the control conductor 3 generates a magnetic field in strip plane perpendicular to the longitudinal direction thereof at the location of the ferromagnetic layer strips 2. This causes a rotation of the magnetization in the ferromagnetic layer strip 2 in the field direction The resistance change for a bridging resistor occurring in this way is plotted against the current in the control conductor 3 in Fig. 2. In the Ha'-pt part the resistance changes with considerable linearity in accordance with curve 9. Pig resistance change of the opposite region 4 takes place according to the curve 10. This achieves this Maximum of their Be already at a current which is substantially lower than the current value at which the remaining part of the ferromagnetic layer strip 2 reaches its maximum resistance change. This is effected by the fact that the control conductor 3 in the region 4 of the ferromagnetic layer strip 2 has a substantially smaller width than in the remaining part, whereby the magnetic field in the said region has a higher by the ratio of the widths of the control conductor 3 *. As an overall change of a resistance of the bridge then results in the curve 11, which has a largely linear course. Corresponding curves apply to the other three bridge resistors, with two each increasing in current flow through the control conductor 3 and two decreasing. In the case of linear bridging resistors, the bridge output signal also runs linearly as a function of the current through the control conductor 3. For the circuit as a bridge, the two outer terminal contacts 1 of the bridge are connected together with olnem pole of the operating voltage and the middle terminal contact 1 of the bridge to the other pole. The linear with the current fed into the terminal contacts 8 of the control conductor 3 current output voltage is removed at the second and fourth terminal contact 1 of the bridge.
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