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Die Erfindung betrifft eine magnetoresistive
Schichtanordnung, insbesondere ein GMR-, TMR- oder AMR-Sensorelement,
nach der Gattung des Hauptanspruches.
Stand der Technik
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Magnetoresistive Schichtanordnungen und deren Verwendung in
Sensorelementen, beispielsweise in Winkelsensoren, sind
bekannt. Dabei unterscheidet man zwischen GMR-Sensorelementen
("Giant Magneto Resistance"), TMR-Sensorelementen ("Tunnel
Magneto Resistance") und AMR-Sensorelementen ("Anisotropic
Magneto Resistance"). Vielfach werden derartige
Sensorelemente auch als XMR-Sensorelemente bezeichnet, wobei X für G,
T oder A stehen kann. Eine Übersicht über magnetoresistive
Sensorelemente gibt U. Dibbern in "Sensors - A Comprehensive
Survey", Volume 5, "Magnetic Sensors", ed. by W. Göpel, VCH-
Verlag, Weinheim, 1989, Seiten 342 bis 380.
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GMR- und TMR-Sensorelemente weisen demnach eine erste
magnetische Schicht und eine zweite magnetische Schicht auf,
zwischen denen eine Zwischenschicht angeordnet ist, die im Fall
des GMR-Sensorelementes bei Betrieb einen elektrischen Strom
führt. Weiter ist bekannt, solche Schichtanordnungen bzw.
Schichtsysteme in Draufsicht streifenförmig oder in Form
eines Mäanders auszuführen bzw. zu strukturieren, damit der
elektrische Widerstand insgesamt sowie die Flächenausnutzung
auf dem Substrat steigt.
Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße magnetoresistive Schichtanordnung hat
gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass störende
Einflüsse von Anisotropie-Effekten bereits durch das Design
der Schichtanordnung erheblich verringert bzw. gänzlich
unterdrückt werden können. Damit eignet sich eine
erfindungsgemäße Schichtanordnung, die beispielsweise als GMR-
Sensorelement nach dem Spin-Valve-Prinzip aufgebaut ist,
besonders gut als Winkelsensor bzw. Winkelmesselement mit
geringem Winkelfehler, wobei sowohl bei kleinen als auch
starken äußeren, sich insbesondere drehenden Magnetfeldern eine
deutlich verbesserte Winkelmessgenauigkeit erreicht wird.
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Weiter ist vorteilhaft, dass das vorgeschlagene Design der
streifenförmig strukturierten Schichtanordnung auf alle
Arten magnetoresistiver Schichtanordnungen übertragbar ist,
d. h. es ist bei GMR-, AMR- und TMR-Sensorelementen
einsetzbar. Insbesondere wird schon durch das Design der
Schichtanordnung erreicht, dass das Sensorsignal nur noch
von dem eigentlich zu messenden bzw. erwünschten XMR-Effekt
abhängig ist.
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Unter störenden Anisotropie-Effekten werden insbesondere von
der Form der Schichtanordnung abhängige Effekte verstanden
(Formanisotropie), sowie Effekte, die von der relativen
Richtung des elektrischen Stromes und der Richtung der
Magnetisierung in einer Schicht, beispielsweise der
sogenannten "pinning"-Richtung in der Referenzschicht oder der
Richtung der Magnetisierung in der sogenannten "free layer",
abhängig sind (AMR-Anisotropie).
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So weist das Signal eines GMR-Sensorelementes, d. h. die
magnetfeldabhängige Änderung des elektrischen Widerstandes,
als Funktion des Winkels φ zwischen einem äußeren Magnetfeld
B und der "pinning"-Richtung in der Referenzschicht der
Schichtanordnung eine cos(φ)-Abhängigkeit, d. h. eine 360°-
Symmetrie, auf, während beispielsweise durch den Winkel
zwischen der Stromrichtung und der Richtung eines äußeren
Magnetfeldes hervorgerufene Anisotropie-Effekte lediglich eine
180°-Symmetrie besitzen. Zudem trägt auch die erläuterte
Formanisotropie zu einem Abweichen von der idealen cosinus-
Kennlinie der Schichtanordnung bzw. des Sensorelementes bei.
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Die Formanisotropie beruht darauf, dass durch die Form der
streifenförmigen Schichtanordnung und insbesondere deren
hohes Aspektverhältnis, d. h. das Verhältnis von Länge zu
Breite, die Magnetisierung innerhalb einer magnetischen Schicht
lokal bevorzugt jeweils parallel zu der streifenförmigen
Schichtanordnung orientiert ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
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So ist vorteilhaft, wenn der streifenförmige Bereich eine L-
förmige Struktur mit zwei gleich langen Schenkeln als
Teilstreifen ist, wenn er zumindest näherungsweise die
Umfangslinie eines Quadrates bildet, oder wenn er zumindest
näherungsweise die Form einer quadratischen Schneckenstruktur
oder einer kreisförmigen Schneckenstruktur aufweist. Weiter
kann der streifenförmige Bereich auch zumindest
näherungsweise eine Umfangslinie eines Kreises bilden, da sich jeder
Kreis durch ein regelmäßiges n-Eck mit einer entsprechend
hohen Zahl von Ecken mit hinreichender Genauigkeit
approximieren lässt, wobei die Zahl der Ecken ein Vielfaches von
vier ist.
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Schließlich sind auch in Draufsicht rotationssysmmetrische,
insbesondere sternförmige oder zahnradförmige Strukturen der
Schichtanordnung vorteilhaft, wobei die einzelnen Streifen
der Schichtanordnung bevorzugt Schleifen bilden, die um eine
zentrale Fläche gruppiert sind. Ein derartiges Design
unterdrückt verstärkt die im Bereich kleiner Magnetfelder
relevanten Formanisotropie-Effekte, d. h. es ist vor allem bei
der Herstellung von Winkelmessern mit verbesserter
Winkelmessgenauigkeit vorteilhaft, die sowohl kleineren als auch
stärkeren Magnetfeldern ausgesetzt sind.
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Im Übrigen ist es vorteilhaft, wenn die gesamte, in
Draufsicht streifenförmige magnetoresistive Schichtanordnung in
Teilstreifen untergliederbar ist, wobei jedem der
Teilstreifen eineindeutig im Sinne einer bijektiven Abbildung ein
zumindest näherungsweise gleich langer, jedoch um zumindest
näherungsweise 90° gedrehter Teilstreifen zuordbar ist.
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Bei dieser eineindeutigen Zuordnung ist es überdies
ausreichend, wenn die Schichtanordnung bis auf vernachlässigbar
geringe Flächen oder Reste in Teilstreifen untergliederbar
ist, so dass danach in Draufsicht, bezogen auf die
Gesamtfläche der Schichtanordnung lediglich insgesamt
vernachlässigbare, nicht zugeordnete Bereiche wie Endbereiche oder
Anschlusskontaktbereiche verbleiben. Vorteilhaft liegt der
Anteil derartiger Bereiche an der Gesamtfläche der
Schichtanordnung in Draufsicht unter 10%, vorzugsweise
unter 5%.
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Weiterhin ist es hinsichtlich einer möglichst vollständigen
Unterdrückung von Anisotropie-Effekten besonders
vorteilhaft, wenn die einander eineindeutig zugeordneten
Teilstreifen eines Teilstreifenpaares eine in Draufsicht möglichst
gleiche Fläche aufweisen.
Zeichnungen
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 den
prinzipiellen Aufbau einer magnetoresistiven
Schichtanordnung, Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer
Strukturierung in Form einer quadratischen Schnecke in
Draufsicht, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit
einer quadratischen Struktur, Fig. 4 ein drittes
Ausführungsbeispiel mit einer L-förmigen Struktur, Fig. 5 ein viertes
Ausführungsbeispiel mit einer geöffneten Ringstruktur, Fig.
6 ein fünftes Ausführungsbeispiel mit einer sternähnlichen
Struktur, und Fig. 7 ein sechstes Ausführungsbeispiel mit
einer zahnradähnlichen Struktur.
Ausführungsbeispiele
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Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer
magnetoresistiven Schichtanordnung 5 in Form eines
GMR-Sensorelementes nach dem Spin-Valve-Prinzip. Dazu ist ein Schichtsystem
mit einer zweiten magnetischen Schicht 6 in Form einer
hartmagnetischen Referenzschicht mit fest vorgegebener Richtung
der Magnetisierung m2, einer elektrisch leitenden, bei
Betrieb einen Strom I führenden Zwischenschicht 4 und einer
darauf angeordneten, ersten magnetischen Schicht 2 in Form
einer weichmagnetischen Schicht mit einer Magnetisierung m1
vorgesehen, wobei die Richtung der Magnetisierung m1 sich
entsprechend der Richtung eines äußeren Magnetfeldes B
ändert und sich parallel zu dieser Richtung ausrichtet. Die
Richtung der Magnetisierung m2 in der zweiten magnetischen
Schicht 6 ist fest ("gepinnt") und bleibt daher von der
Richtung dieses Magnetfeldes B unbeeinflusst.
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Auf die Erläuterung weiterer Details zu der an sich
bekannten magnetoresistiven Schichtanordnung 5 gemäß Fig. 1 sei
verzichtet.
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Die magnetoresistive Schichtanordnung 5 zeigt ohne Störungen
durch Anisotropie-Effekte eine Änderung des elektrischen
Widerstandes RSV gemäß der bekannten Gleichung:
wobei R0 eine Konstante ist, und wobei φ den Winkel zwischen
dem äußeren Magnetfeld B und der "pinning"-Richtung in der
Referenzschicht 6, d. h. der Richtung der Magnetisierung m2,
bedeutet. Die Größe RSV ist ebenfalls konstant und hängt vor
allem von dem Schichtaufbau und der Geometrie (Länge,
Fläche) der magnetoresistiven Schichtanordnung 5 ab.
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Die Störung dieser Gleichung aufgrund von AMR-Anisotropie
lässt sich durch:
beschreiben, wobei Raniso die Variation des elektrischen
Widerstandes aufgrund der Anisotropie-Effekte angibt. Der
Winkel φ ist erneut der Winkel zwischen der Richtung des
äußeren Magnetfeldes B und der Richtung der Magnetisierung m2 in
der Referenzschicht 6, d. h. der "pinning"-Richtung. Der
Winkel φ0 bezeichnet die Richtung der jeweiligen Anisotropie-
Achse, wobei die Schichtanordnung 5 in Form eines Streifens
strukturiert, und die Anisotropie-Achse parallel zu der
Richtung dieses Streifens orientiert ist.
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Man erkennt, dass die Anisotropie-Effekte eine 180°-
Symmetrie aufweisen, während das eigentliche Signal des GMR-
Sensorelementes eine 360°-Symmetrie besitzt.
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Wenn man nun eine streifenförmige, magnetoresistive
Schichtanordnung 5 mit Länge L in zwei gleich lange
Teilstreifen mit Länge L/2 unterteilt, wobei diese Teilstreifen
vorzugsweise in Draufsicht auch eine gleiche Fläche
besitzen, und diese beiden Teilstreifen um 90° gegeneinander gedreht,
beispielsweise L-förmig, anordnet, wobei ein Schenkel
dieser L-Struktur parallel der x-Richtung und der zweite
Schenkel dieser L-Struktur parallel der y-Richtung des
Koordinatensystems ausgerichtet ist, so ergibt sich für den
winkelabhängigen elektrischen Widerstand eines damit erzeugten
GMR-Sensorelementes nach dem Spin-Valve-Prinzip ein
Gesamtwiderstand Rges gemäß:
wobei der Winkel φ0,x der Winkel zwischen der "pinning"-
Richtung in der zweiten magnetischen Schicht 6 des ersten
Teilstreifens und der parallel zur x-Richtung verlaufenden
Anisotropie-Achse ist, und wobei φ0,y der Winkel zwischen der
"pinning"-Richtung der zweiten magnetischen Schicht 6 in dem
zweiten Teilstreifen und der parallel zur y-Richtung
orientierten Anisotropie-Achse ist. Da weiter bei dieser Wahl des
Koordinatensystems für φ0,x gilt: φ0,x = 0°, d. h. die
Anisotropie-Achse ist parallel zur x-Achse, und für φ0,y gilt:
φ0,y = 90°, d. h. φ0,y ist parallel zur y-Richtung orientiert,
folgt:
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In dieser Gleichung ist nur noch der eigentliche Spin-Valve-
Term des GMR-Sensorelementes, d. h. der Term, der den
gewünschten, zu messenden Effekt beschreibt, winkelabhängig,
während die anisotropen Störungen winkelunabhängig und in
einer Konstanten zusammengefasst sind.
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Die Fig. 2 erläutert ein auf den vorstehenden Überlegungen
beruhendes erstes Ausführungsbeispiel einer
magnetoresistiven Schichtanordnung 5 mit dem Aufbau gemäß Fig. 1 in
Draufsicht, das in Form einer quadratischen Schnecke 18
ausgebildet ist, die durch eine Anordnung konzentrischer
Quadrate approximierbar ist. Insbesondere ist in Fig. 2 erkennbar,
dass die quadratische Schnecke 18 einen ersten
Teilstreifen 11 aufweist, dem ein zweiter Teilstreifen 12
eineindeutig zugeordnet ist, der gegenüber diesem um 90°
gedreht ist. Daneben ist in Fig. 2 dargestellt, dass ein
weiterer erster Teilstreifen 11' einem weiteren zweiten
Teilstreifen 12' zugeordnet ist, wobei auch diese beiden
Teilstreifen 11', 12' gegeneinander um 90° gedreht sind. Es ist
offensichtlich, dass das gesamte streifenförmige
Schichtsystem 5 gemäß Fig. 2 in derartige, einander eineindeutig
zugeordnete Teilstreifenpaare unterteilbar ist, wobei diese
jeweils um 90° gegeneinander gedreht sind. Bei dieser
Zuordnung verbleiben lediglich unbedeutende Endbereiche, die in
vernachlässigbarer Weise zu den unerwünschten Anisotropie-
Effekten beitragen.
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In Fig. 2 ist weiter angedeutet, wie das Koordinatensystem
orientiert ist, und wie der Winkel φ0,x im Fall des ersten
Teilstreifens 11 und der Winkel φ0,y im Fall des zweiten
Teilstreifens 12' orientiert ist. Eine entsprechende, im
Gegenuhrzeigersinn umlaufende Orientierung dieses Winkels
lässt sich auch für alle übrigen Teilstreifen ohne Weiteres
vornehmen. Schließlich ist Fig. 2 zu entnehmen, dass das
gesamte magnetoresistive Schichtsystem 5 streifenförmig
strukturiert ist, und dass die einander eineindeutig
zugeordneten Teilstreifenpaare 11 und 12 bzw. 11' und 12'
jeweils eine in Draufsicht gleiche Fläche aufweisen.
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Die magnetoresistive Schichtanordnung 5 ist im Übrigen in
bekannter Weise auf einem Substrat, beispielsweise einem
Siliziumsubstrat, angeordnet, und gemäß Fig. 1 als
Schichtsystem aufgebaut.
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Die Fig. 3 erläutert ein zweites Ausführungsbeispiel, das,
abgesehen von der konkreten Struktur der streifenförmig
ausgebildeten Schichtanordnung 5, analog dem Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 2 ist. Insbesondere ist die
magnetoresistive Schichtanordnung 5 in Fig. 3 in Form einer
quadratischen Struktur 16 ausgebildet, d. h. in Form eines Streifens,
der, abgesehen von einem Kontaktbereich 30, auf der
Umfangslinie eines Quadrates verläuft. Diese Ausführungsform
unterdrückt ebenfalls wirksam unerwünschte Anisotropie-Effekte,
hat jedoch bei gleicher Länge des die Schichtanordnung 5
bildenden Streifens gegenüber Fig. 2 den Nachteil eines
vergrößerten Platzbedarfs.
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Die Fig. 4 erläutert ein drittes Ausführungsbeispiel einer
magnetoresistiven Schichtanordnung 5, die in Form einer L-
förmigen Struktur 15 mit zwei gleich langen Schenkeln 11, 12
ausgeführt ist, wobei diese gegeneinander um 90° gedreht
sind. Ansonsten ist das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4
analog den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 2 bzw. Fig. 3.
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Die Fig. 5 erläutert ein viertes Ausführungsbeispiel einer
magnetoresistiven Schichtanordnung 5, wobei ein Streifen zu
einem geöffneten Ring 17 strukturiert worden ist. Die
Öffnung des Rings 17 in dem Kontaktbereich 30 dient der
Realisierung von Anschlusskontaktierungen.
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Abgesehen von der Öffnung des Ringes 17 zeigt Fig. 5 somit
eine kreisförmige Struktur, wobei der diese bildende
Streifen ebenfalls in Teilstreifen unterteilbar ist, die
zumindest näherungsweise gleich lang, und zumindest
näherungsweise gegeneinander um 90° gedreht sind. Diese Zuordnung ergibt
sich dadurch, dass die dargestellte kreisförmige Struktur
als regelmäßiges n-Eck approximierbar ist, wobei die Zahl
der Ecken ein Vielfaches von vier ist.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 hat gegenüber den
Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 2 bis 4 den Nachteil,
dass eine kreisförmige Struktur vergleichsweise schwierig
präzise zu strukturieren ist. Zudem beansprucht es gegenüber
Fig. 2 bei einem gleich langen, die Schichtanordnung 5
bildenden Streifen eine größere Fläche.
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Die Fig. 6 erläutert ein fünftes Ausführungsbeispiel bei
dem in Weiterführung zu dem vierten Ausführungsbeispiel vor
allem auch die bei kleinen Magnetfeldern B, d. h.
Magnetfeldern B von unter 8 mTesla, insbesondere unter 3 mTesla,
störenden Formanisotropie-Effekte reduziert werden.
Gleichzeitig bleibt dabei die Unterdrückung der bei stärkeren
Magnetfeldern B besonders störenden AMR-Anisotropie erhalten.
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Die in Draufsicht nahezu rotationssymmetrische, sternförmige
Struktur 19 gemäß Fig. 6 weist insgesamt acht
strahlenförmige Schleifen 22 auf, die jeweils von der streifenförmig
strukturierten Schichtanordnung 5 gebildet werden, die gemäß
Fig. 1 aufgebaut ist. Daneben ist die sternförmige Struktur
19 in einem Kontaktbereich 30 zur Anschlusskontaktierung
geöffnet. Bevorzugt wird die sternförmige Struktur 19 gemäß
Fig. 6 mit einer möglichst hohen Zahl n von
strahlenförmigen Schleifen 22 ausgeführt, wobei die Zahl n der Schleifen
22 ein Vielfaches von vier ist, da mit steigender
Schleifenzahl die Formanisotropie-Effekte abnehmen.
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Es ist offensichtlich, dass in diesem Fall in einfacher
Weise Schleifenpaare 22 gebildet werden können, die
gegeneinander um 90° gedreht sind. Weiter ist auch die bereits
erläuterte Unterteilung jeder der Schleifen 22 in erste
Teilstreifen 11, 11' und die eineindeutige Zuordnung dieser
ersten Teilstreifen 11, 11' zu zweiten Teilstreifen 12, 12'
möglich. Die Teilstreifen dieser Paare sind dabei
gegeneinander um 90° gedreht, und jedem Teilstreifen ist
eineindeutig ein zumindest näherungsweise gleich langer Teilstreifen,
bevorzugt mit in Draufsicht gleicher Fläche, zugeordnet.
Diese Zuordnung, die in Fig. 7 nur für einen Teil der Teilstreifen
11, 11', 12, 12' explizit eingetragen wurde, ergibt
sich für die übrigen ohne Weiteres analog.
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Mit zunehmender Zahl n der Schleifen 22 nähert sich die
Messkurve eines damit hergestellten Sensorelementes,
beispielsweise eines GMR-Sensorelementes nach dem Spin-Valve-
Prinzip, die die Form einer cosinus-ähnlichen Stufenfunktion
mit n Stufen hat, immer mehr der idealen cosinus-
Abhängigkeit an.
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Der Vorteil des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 6 liegt vor
allem darin, dass neben Formanisotropie-Effekten
gleichzeitig auch AMR-Effekte durch das Design der Schichtanordnung 5
unterdrückt werden. Insbesondere werden durch den
rotationssymmetrischen Aufbau auch alle rotationssymmetrischen
Anisotropie-Effekte, beispielsweise auch hexagonale
Anisotropien, unterdrückt bzw. kompensiert.
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Insgesamt bewirkt der Einsatz einer solchen Schichtanordnung
in einem Winkelmesser eine erhebliche Verminderung von
Winkelmessfehlern vor allem bei kleinen Magnetfeldern. Weiter
hat man damit erreicht, dass sowohl bei großen als auch
kleinen äußeren Magnetfeldern ein nahezu ausschließlich vom
eigentlichen XMR-Effekt abhängiges Sensorsignal auftritt.
Dies schließt auch sich relativ zum Sensorelement drehende
Magnetfelder B ein.
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Schließlich weist eine magnetorestive Schichtanordnung 5
gemäß Fig. 6 einen besonders großen Dynamikbereich
hinsichtlich der präzise messbaren äußeren Magnetfelder B auf, da
sich verschiedene Winkelfehlerbeiträge in einem damit
hergestellten Winkelmesser, die aus Anisotropieeffekten, einer
Formanisotropie oder einer Kristallanisotropie herrühren,
gleichzeitig im Kleinfeldbereich und im Bereich stärkerer
Magnetfelder minimieren lassen.
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Im Übrigen sei noch betont, dass das mit Hilfe der Fig. 6
erläuterte Ausführungsbeispiel auch abgerundete Kanten,
spitz zulaufende Schleifen 22 oder bereichsweise runde
Strukturen mit annähernd oder genau rotationssymmetrischen
radialen Schleifen 22 aufweisen kann.
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Die Fig. 7 erläutert ein sechstes Ausführungsbeispiel, das
abgesehen von der konkreten Form der streifenförmigen
magnetoresistiven Schichtanordnung 5 hinsichtlich Aufbau und
Wirkung weitgehend analog dem fünften Ausführungsbeispiel ist.
Insbesondere weist auch dieses Ausführungsbeispiel in
Draufsicht eine Rotationsymmetrie und acht Schleifen 22 auf, die
sich zahnradförmig um einen Innenkreis 21 gruppieren. Diese
Anordnung kann ebenso mit vier, zwölf oder allgemein 4n mit
n = 1, 2, 3, . . . derartiger Schleifen 22 ausgeführt sein.
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Weiter ist auch hier bevorzugt eine möglichst große Zahl von
Schleifen 22 vorgesehen. Ein möglichst kleiner Innenkreis 21
verringert zudem den Flächenbedarf der zahnradförmigen
Struktur 20 bei insgesamt gleicher Länge des
streifenförmigen magnetoresistiven Schichtsystems 5. Die erläuterte
exemplarische Unterteilung in einander paarweise zugeordnete
Teilstreifen 11, 11', 11", 12, 12', 12" und deren
eineindeutige Zuordnung zueinander, wobei die Teilstreifen eines
Paares um 90° gegeneinander gedreht und gleich lang sind,
ergibt sich sofort aus Fig. 7.