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Die Erfindung betrifft eine magnetoresistive Schichtanordnung, insbesondere ein GMR-, TMR- oder AMR-Sensorelement, nach der Gattung des Hauptanspruches.
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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 uber magnetoresistive Sensorelemente gibt U. Dibbern in „Sensors – A Comprehensive Survey”, Volume 5, „Magnetic Sensors”, ed. by W. Gopel, 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 fuhrt. Weiter ist bekannt, solche Schichtanordnungen bzw. Schichtsysteme in Draufsicht streifenformig oder in Form eines Mäanders auszuführen bzw. zu strukturieren, damit der elektrische Widerstand insgesamt sowie die Flächenausnutzung auf dem Substrat steigt.
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Die Offenlegungsschrift
US 5 708 407 A offenbart einen Stromsensor zum Messen des einen elektrischen Leiter durchfließenden Stroms mit einem den Leiter umgebenden magnetoresistiven Streifen, dessen Enden dazu bestimmt sind, mit einer Strommeßvorrichtung verbunden zu werden. Der Streifen hat die Form einer Röhre, deren Achse auf den Leiter zentriert ist und wird gebildet durch eine metallische magnetische Mehrschichtenstruktur, deren Schichten ebensoviele aufeinandergeschichtete Elementarröhren bilden, konzentrisch zu der genannten Achse.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinrichtung zur Erfassung der Richtung eines äußeren Magnetfeldes mittels wenigstens eines Sensorelementes, das ein einen sehr großen magnetoresistiven Effekt (GMR) zeigendes Mehrschichtensystem aufweist, welches mindestens eine weichmagnetische Meßschicht, mindestens eine vergleichsweise härtere Biasschicht mit vorgegebener Magnetisierungsrichtung Sowie mindestens eine dazwischen angeordnete, nichtmagnetische Zwischenschicht enthält.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemaße magnetoresistive Schichtanordnung hat gegenuber dem Stand der Technik den Vorteil, dass störende Einflüsse von Anisotropie-Effekten bereits durch das Design der Schichtanordnung erheblich verringert bzw. ganzlich unterdrückt werden konnen. Damit eignet sich eine erfindungsgemaße 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 außeren, sich insbesondere drehenden Magnetfeldern eine deutlich verbesserte Winkelmessgenauigkeit erreicht wird.
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Weiter ist vorteilhaft, dass das vorgeschlagene Design der streifenformig strukturierten Schichtanordnung auf alle Arten magnetoresistiver Schichtanordnungen ubertragbar 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 abhangig ist.
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Unter störenden Anisotropie-Effekten werden insbesondere von der Form der Schichtanordnung abhangige 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 magnetfeldabhangige 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)-Abhangigkeit, d. h. eine 360°-Symmetrie, auf, wahrend beispielsweise durch den Winkel zwischen der Stromrichtung und der Richtung eines äußeren Magnetfeldes hervorgerufene Anisotropie-Effekte lediglich eine 180°-Symmetrie besitzen. Zudem tragt auch die erlauterte 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 streifenformigen 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 streifenformigen Schichtanordnung orientiert ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteranspruchen genannten Maßnahmen.
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So ist vorteilhaft, wenn der streifenformige Bereich eine L-förmige Struktur mit zwei gleich langen Schenkeln als Teilstreifen ist, wenn er zumindest naherungsweise die Umfangslinie eines Quadrates bildet, oder wenn er zumindest naherungsweise die Form einer quadratischen Schneckenstruktur oder einer kreisformigen Schneckenstruktur aufweist. Weiter kann der streifenformige 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 lasst, 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 verstarkt 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 starkeren Magnetfeldern ausgesetzt sind.
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Im Übrigen ist es vorteilhaft, wenn die gesamte, in Draufsicht streifenformige magnetoresistive Schichtanordnung in Teilstreifen untergliederbar ist, wobei jedem der Teilstreifen eineindeutig im Sinne einer bijektiven Abbildung ein zumindest naherungsweise gleich langer, jedoch um zumindest naherungsweise 90° gedrehter Teilstreifen zuordbar ist.
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Bei dieser eineindeutigen Zuordnung ist es überdies ausreichend, wenn die Schichtanordnung bis auf vernachlässigbar geringe Flachen oder Reste in Teilstreifen untergliederbar ist, so dass danach in Draufsicht, bezogen auf die Gesamtfläche der Schichtanordnung lediglich insgesamt vernachlassigbare, 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 vollstandigen Unterdrückung von Anisotropie-Effekten besonders vorteilhaft, wenn die einander eineindeutig zugeordneten Teilstreifen eines Teilstreifenpaares eine in Draufsicht möglichst gleiche Flache aufweisen.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung naher erlautert. Es zeigt 1 den prinzipiellen Aufbau einer magnetoresistiven Schichtanordnung, 2 ein erstes Ausfuhrungsbeispiel mit einer Strukturierung in Form einer quadratischen Schnecke in Draufsicht, 3 ein zweites Ausfuhrungsbeispiel mit einer quadratischen Struktur, 4 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einer L-formigen Struktur, 5 ein viertes Ausfuhrungsbeispiel mit einer geoffneten Ringstruktur, 6 ein funftes Ausfuhrungsbeispiel mit einer sternahnlichen Struktur, und 7 ein sechstes Ausfuhrungsbeispiel mit einer zahnradahnlichen Struktur.
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Ausfuhrungsbeispiele
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Die 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 fuhrenden 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 außeren Magnetfeldes B andert 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 Erlauterung weiterer Details zu der an sich bekannten magnetoresistiven Schichtanordnung 5 gemaß 1 sei verzichtet.
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Die magnetoresistive Schichtanordnung 5 zeigt ohne Storungen durch Anisotropie-Effekte eine Änderung des elektrischen Widerstandes RSV gemaß der bekannten Gleichung: RSV = R0 + RSVcos(ϕ) 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 hangt vor allem von dem Schichtaufbau und der Geometrie (Länge, Fläche) der magnetoresistiven Schichtanordnung 5 ab.
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Die Storung dieser Gleichung aufgrund von AMR-Anisotropie lasst sich durch: Raniso = R ^aniso·cos2(ϕ – ϕ0) 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, wahrend das eigentliche Signal des GMR-Sensorelementes eine 360°-Symmetrie besitzt.
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Wenn man nun eine streifenformige, magnetoresistive Schichtanordnung
5 mit Lange L in zwei gleich lange Teilstreifen mit Lange L/2 unterteilt, wobei diese Teilstreifen vorzugsweise in Draufsicht auch eine gleiche Flache 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 fur den winkelabhängigen elektrischen Widerstand eines damit erzeugten GMR-Sensorelementes nach dem Spin-Valve-Prinzip ein Gesamtwiderstand R
ges gemaß:
wobei der Winkel ϕ
0,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 ϕ
0,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 ϕ
0,x gilt: ϕ
0,x = 0°, d. h. die Anisotropie-Achse ist parallel zur x-Achse, und fur ϕ
0,y gilt: ϕ
0,y = 90°, d. h. ϕ
0,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, wahrend die anisotropen Storungen winkelunabhängig und in einer Konstanten zusammengefasst sind.
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Die 2 erlautert ein auf den vorstehenden Uberlegungen beruhendes erstes Ausfuhrungsbeispiel einer magnetoresistiven Schichtanordnung 5 mit dem Aufbau gemaß 1 in Draufsicht, das in Form einer quadratischen Schnecke 18 ausgebildet ist, die durch eine Anordnung konzentrischer Quadrate approximierbar ist. Insbesondere ist in 2 erkennbar, dass die quadratische Schnecke 18 einen ersten Teilstreifen 11 aufweist, dem ein zweiter Teilstreifen 12 eineindeutig zugeordnet ist, der gegenuber diesem um 90° gedreht ist. Daneben ist in 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 streifenformige Schichtsystem 5 gemäß 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 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 fur alle ubrigen Teilstreifen ohne Weiteres vornehmen. Schließlich ist 2 zu entnehmen, dass das gesamte magnetoresistive Schichtsystem 5 streifenformig 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 Ubrigen in bekannter Weise auf einem Substrat, beispielsweise einem Siliziumsubstrat, angeordnet, und gemaß 1 als Schichtsystem aufgebaut.
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Die 3 erläutert ein zweites Ausführungsbeispiel, das, abgesehen von der konkreten Struktur der streifenförmig ausgebildeten Schichtanordnung 5, analog dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß 2 ist. Insbesondere ist die magnetoresistive Schichtanordnung 5 in 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 verlauft. Diese Ausführungsform unterdruckt ebenfalls wirksam unerwunschte Anisotropie-Effekte, hat jedoch bei gleicher Länge des die Schichtanordnung 5 bildenden Streifens gegenuber 2 den Nachteil eines vergroßerten Platzbedarfs.
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Die 4 erlautert ein drittes Ausfuhrungsbeispiel einer magnetoresistiven Schichtanordnung 5, die in Form einer L-formigen Struktur 15 mit zwei gleich langen Schenkeln 11, 12 ausgeführt ist, wobei diese gegeneinander um 90° gedreht sind. Ansonsten ist das Ausfuhrungsbeispiel gemaß 4 analog den Ausfuhrungsbeispielen gemaß 2 bzw. 3.
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Die 5 erlautert 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 5 somit eine kreisförmige Struktur, wobei der diese bildende Streifen ebenfalls in Teilstreifen unterteilbar ist, die zumindest naherungsweise gleich lang, und zumindest näherungsweise gegeneinander um 90° gedreht sind. Diese Zuordnung ergibt sich dadurch, dass die dargestellte kreisformige Struktur als regelmäßiges n-Eck approximierbar ist, wobei die Zahl der Ecken ein Vielfaches von vier ist.
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Das Ausfuhrungsbeispiel gemaß 5 hat gegenuber den Ausführungsbeispielen gemaß den 2 bis 4 den Nachteil, dass eine kreisformige Struktur vergleichsweise schwierig prazise zu strukturieren ist. Zudem beansprucht es gegenüber 2 bei einem gleich langen, die Schichtanordnung 5 bildenden Streifen eine großere Fläche.
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Die 6 erläutert ein funftes Ausführungsbeispiel bei dem in Weiterführung zu dem vierten Ausfuhrungsbeispiel vor allem auch die bei kleinen Magnetfeldern B, d. h. Magnetfeldern B von unter 8 mTesla, insbesondere unter 3 mTesla, storenden Formanisotropie-Effekte reduziert werden. Gleichzeitig bleibt dabei die Unterdruckung der bei starkeren Magnetfeldern B besonders storenden AMR-Anisotropie erhalten.
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Die in Draufsicht nahezu rotationssymmetrische, sternformige Struktur 19 gemäß 6 weist insgesamt acht strahlenförmige Schleifen 22 auf, die jeweils von der streifenförmig strukturierten Schichtanordnung 5 gebildet werden, die gemaß 1 aufgebaut ist. Daneben ist die sternformige Struktur 19 in einem Kontaktbereich 30 zur Anschlusskontaktierung geoffnet. Bevorzugt wird die sternformige Struktur 19 gemaß 6 mit einer moglichst hohen Zahl n von strahlenformigen Schleifen 22 ausgefuhrt, 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 konnen, 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' moglich. Die Teilstreifen dieser Paare sind dabei gegeneinander um 90° gedreht, und jedem Teilstreifen ist eineindeutig ein zumindest naherungsweise gleich langer Teilstreifen, bevorzugt mit in Draufsicht gleicher Flache, zugeordnet. Diese Zuordnung, die in 7 nur für einen Teil der Teilstreifen 11, 11', 12, 12' explizit eingetragen wurde, ergibt sich fur die übrigen ohne Weiteres analog.
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Mit zunehmender Zahl n der Schleifen 22 nahert sich die Messkurve eines damit hergestellten Sensorelementes, beispielsweise eines GMR-Sensorelementes nach dem Spin-Valve-Prinzip, die die Form einer cosinus-ahnlichen Stufenfunktion mit n Stufen hat, immer mehr der idealen cosinus-Abhangigkeit an.
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Der Vorteil des Ausfuhrungsbeispiels gemaß 6 liegt vor allem darin, dass neben Formanisotropie-Effekten gleichzeitig auch AMR-Effekte durch das Design der Schichtanordnung 5 unterdruckt werden. Insbesondere werden durch den rotationssymmetrischen Aufbau auch alle rotationssymmetrischen Anisotropie-Effekte, beispielsweise auch hexagonale Anisotropien, unterdruckt 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 außeren Magnetfeldern ein nahezu ausschließlich vom eigentlichen XMR-Effekt abhangiges Sensorsignal auftritt. Dies schließt auch sich relativ zum Sensorelement drehende Magnetfelder B ein.
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Schließlich weist eine magnetorestive Schichtanordnung 5 gemaß 6 einen besonders großen Dynamikbereich hinsichtlich der prazise messbaren außeren Magnetfelder B auf, da sich verschiedene Winkelfehlerbeiträge in einem damit hergestellten Winkelmesser, die aus Anisotropieeffekten, einer Formanisotropie oder einer Kristallanisotropie herruhren, gleichzeitig im Kleinfeldbereich und im Bereich starkerer Magnetfelder minimieren lassen.
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Im Ubrigen sei noch betont, dass das mit Hilfe der 6 erlauterte Ausfuhrungsbeispiel auch abgerundete Kanten, spitz zulaufende Schleifen 22 oder bereichsweise runde Strukturen mit annahernd oder genau rotationssymmetrischen radialen Schleifen 22 aufweisen kann.
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Die 7 erlautert ein sechstes Ausführungsbeispiel, das abgesehen von der konkreten Form der streifenförmigen magnetoresistiven Schichtanordnung 5 hinsichtlich Aufbau und Wirkung weitgehend analog dem funften Ausführungsbeispiel ist. Insbesondere weist auch dieses Ausfuhrungsbeispiel in Draufsicht eine Rotationsymmetrie und acht Schleifen 22 auf, die sich zahnradförmig um einen Innenkreis 21 gruppieren. Diese Anordnung kann ebenso mit vier, zwolf oder allgemein 4n– mit n = 1, 2, 3, ... derartiger Schleifen 22 ausgefuhrt sein.
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Weiter ist auch hier bevorzugt eine moglichst große Zahl von Schleifen 22 vorgesehen. Ein moglichst kleiner Innenkreis 21 verringert zudem den Flachenbedarf der zahnradformigen Struktur 20 bei insgesamt gleicher Länge des streifenformigen magnetoresistiven Schichtsystems 5. Die erlauterte 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 7.
