DE102007040183A1 - Magnetic field sensor, for external and especially terrestrial magnetic fields, has parallel magnetized strip layers with contacts for current/voltage for measurement signals from their output difference - Google Patents

Magnetic field sensor, for external and especially terrestrial magnetic fields, has parallel magnetized strip layers with contacts for current/voltage for measurement signals from their output difference Download PDF

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Abstract

The magnetic field sensor to register an external and especially terrestrial magnetic field has a least two parallel magneto resistive strip layers (1-4), with current and/or voltage contacts (6-8) to generate measurement signals. The strip layers have the same specification, with mutually opposing and equal residual magnetism (M1-M4). The measurement signals are formed by the difference between the simultaneous voltages at the strips. Each strip is a giant magneto resistance (GMR) component with multiple GMR layers in a serpentine structure.

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor zur Erfassung eines äußeren magnetischen Felds, insbesondere des Erdmagnetfelds, mit mindestens zwei parallelen magnetoresistiven Schichtstreifenelementen mit Strom- und Spannungskontakten zum Erzeugen eines Messsignals.The The invention relates to a magnetic field sensor for detecting an external one magnetic field, in particular of the earth's magnetic field, with at least two parallel magnetoresistive layer strip elements with current and voltage contacts for generating a measurement signal.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein mit solchen Magnetfeldsensoren gebildetes Magnetfeldsensorsystem.Farther the invention relates to a formed with such magnetic field sensors Magnetic field sensor system.

Ein derartiger bekannter Magnetfeldsensor umfasst eine Magnetfelderfassungseinrichtung mit wenigstens ersten und zweiten Magnetfelderfassungselementen, welche insbesondere magnetoresistive, ferromagnetische Schichtstreifenelemente sind, mit Stromkontakten, über die ein Konstantstrom in die Magnetfelderfassungselemente eingespeist wird, sowie mit Spannungskontakten, zum Erzeugen eines Messsignals ( EP 0 544 579 B1 = US 5 247 278 ). Der Magnetfeldsensor ist insbesondere mit vier Magnetfelderfassungselementen als Wheatstonebrücke realisiert. Er umfasst weiterhin eine Einrichtung zur Einstellung einer Magnetisierungsrichtung sowie eine Einrichtung zur Umkehrung der Magnetisierungsrichtung in den Magnetfelderfassungselementen, wobei nach Einstellung der Magnetisierungsrichtung und Umkehr der Magnetisierungsrichtung jeweils ein Aus gangssignal mit einem ersten Pegel bzw. ein Ausgangssignal mit einem zweiten Pegel generiert wird und die Differenz zwischen dem ersten Pegel und dem zweiten Pegel erfasst wird, die repräsentativ für die zu messenden externen magnetischen Feldkomponenten ist. Als Einrichtung zur Einstellung und Umkehr der Magnetisierungsrichtung dient insbesondere ein metallischer Leiterstreifen. Im einzelnen können mit einem serpentinenförmigen oder spiralförmigen Leiter die Magnetisierungsrichtungen von in der Wheatstonebrücke einander gegenüberliegend angeordneter Magnetfelderfassungselementen zueinander in der gleichen Richtung oder in unterschiedlichen Richtungen eingestellt werden. Bei Einstellung der Magnetisierungsrichtung und deren Umkehr sollen die Magnetfelderfassungselemente bzw. die magnetoresistiven, ferromagnetischen Schichtstreifenelemente bevorzugt in einen Ein-Domänen-Zustand zur Reproduzierbarkeit des Messsignals gebracht werden, um das Messsignal gut zu reproduzieren, wenngleich in Einzelfällen eine Erfassung des äußeren magnetischen Felds auch mit Mehr-Domänen-Zuständen der Schichtstreifenelemente möglich sein soll. Die Mittel zum Magnetisieren und Ummagnetisieren dienen zur Offsetminimierung des Messsignals. Daneben kann mit einem weiteren metallischen Leiterstreifen ein bekanntes äußeres magnetisches Feld an den Magnetfelderfassungselementen zum Testen, Kalibrieren und zur Anfangseinstellung aufgebracht werden. – Grundsätzlich ist die Winkelauflösung bzw. die Auflösung der magnetischen Feldkomponenten, die mit dem Magnetfeldsensor erfasst werden, durch die Hysterese der magnetoresistiven, ferromagnetischen Stoffe, aus denen die Schichtstreifenelemente gebildet sind, begrenzt.Such a known magnetic field sensor comprises a magnetic field detection device having at least first and second magnetic field sensing elements, which are in particular magnetoresistive ferromagnetic layer strip elements, with current contacts, via which a constant current is fed into the magnetic field sensing elements, and with voltage contacts, for generating a measurement signal ( EP 0 544 579 B1 = US 5,247,278 ). The magnetic field sensor is realized in particular with four magnetic field sensing elements as Wheatstone bridge. It further comprises means for adjusting a magnetization direction and means for reversing the direction of magnetization in the magnetic field sensing elements, wherein after setting the magnetization direction and reversing the direction of magnetization in each case an output signal with a first level and an output signal with a second level is generated and the difference between the first level and the second level, which is representative of the external magnetic field components to be measured. As a means for adjusting and reversing the magnetization direction is used in particular a metallic conductor strip. Specifically, with a serpentine or helical conductor, the directions of magnetization of magnetic field detecting elements disposed opposite to each other in the Wheatstone bridge can be adjusted to each other in the same direction or in different directions. When setting the magnetization direction and its reversal, the magnetic field sensing elements or the magnetoresistive, ferromagnetic layer strip elements are preferably brought into a one-domain state reproducibility of the measurement signal to reproduce the measurement signal well, although in some cases a detection of the external magnetic field with Multi-domain states of the layer strip elements should be possible. The means for magnetizing and remagnetization are used for offset minimization of the measurement signal. In addition, with a further metallic conductor strip, a known external magnetic field can be applied to the magnetic field sensing elements for testing, calibration and initial adjustment. In principle, the angular resolution or the resolution of the magnetic field components which are detected by the magnetic field sensor is limited by the hysteresis of the magnetoresistive, ferromagnetic materials of which the layer strip elements are formed.

Um die magnetoresistiven Schichtstreifenelemente beim Magnetisieren und Ummagnetisieren jeweils in den Sättigungszustand zu bringen, müssen entsprechend starke Magnetfelder erzeugt werden, womit ein hoher Stromverbrauch verbunden ist.Around the magnetoresistive layer strip elements during magnetization and remagnetizing each in the saturation state bring must generate correspondingly strong magnetic fields which is associated with a high power consumption.

Als magnetoresistive Schichtstreifenelemente sind nach dem Stand der Technik anisotrope magnetoresistive (AMR-)Sensoren verwendet worden, die typischerweise eine dünne Schicht aus Permalloy aufweisen, die zur Linearisierung ihres Transferverhaltens mit einer sogenannten Barber-Pole-Struktur strukturiert sind. Allerdings erhöht die Strukturierung der Barber-Pole den Herstellungsaufwand. Wegen der Widerstandstoleranz und der Temperaturabhängigkeit der AMR-Sensoren werden diese bevorzugt in einer Wheatstonebrücke angeordnet, die außerdem gegenüber einem einzelnen AMR-Schichtstreifenelement den Vorteil einer höheren Empfindlichkeit hat (Application Note 37 der Fa. ZETEX Semiconductors, 01.09.2003).When Magnetoresistive layer strip elements are in the state of Anisotropic magnetoresistive (AMR) sensor technology has been used typically have a thin layer of permalloy, to linearize their transfer behavior with a so-called Barber pole structure are structured. However, increased the structuring of the Barber poles the manufacturing effort. Because of the Resistance tolerance and the temperature dependence of AMR sensors are preferred in a Wheatstone bridge arranged in addition to a single AMR layer strip element has the advantage of higher sensitivity (Application Note 37 from ZETEX Semiconductors, 01.09.2003).

Um die Linearität des Magnetfeldsensors zu verbessern und dessen Temperaturabhängigkeit zu vermindern, sind weiterhin in einem bekannten MR- bzw. AMR-Magnetfeldsensor unter den magnetoresistiven Schichtstreifen weitere hochleitfähige Schichtstreifen vorgesehen, deren Längsrichtung mit der der magnetoresistiven Schichtstreifen übereinstimmt und von diesen elektrisch isoliert sind. In diesen hochleitfähigen Schichtstreifen wird zur Kompensation des äußeren magnetischen Felds ein Kompensationsstrom geleitet, so dass das resultierende äußere Feld minimiert wird ( DE 43 19 146 A1 ). Die Messempfindlichkeit wird durch diese Linearisierungsmaßnahme jedoch nicht erhöht.In order to improve the linearity of the magnetic field sensor and to reduce its temperature dependence, further highly conductive layer strips are provided in a known MR or AMR magnetic field sensor under the magnetoresistive layer strips whose longitudinal direction coincides with that of the magnetoresistive layer strips and are electrically insulated from these. In this highly conductive layer strip, a compensation current is passed to compensate for the external magnetic field, so that the resulting external field is minimized ( DE 43 19 146 A1 ). However, the measurement sensitivity is not increased by this linearization measure.

Zunehmend werden die AMR-Sensoren zur Magnetfeldmessung durch empfindlichere GMR-Sensoren abgelöst, die sich durch hohe erzielbare Widerstandsänderungen auszeichnen. Ein solcher Magnetfeldsensor mit ferromagnetischer, dünner Schicht und zugehörigen Strom- und Spannungskontakten zum Auslesen eines Signals bzw. von Daten weist ein Schichtsystem mit wenigstens einer zweiten über eine Zwischenschicht aus nicht magnetischem Metall benachbarten ferromagnetischen Schicht auf, wobei das Schichtsystem so aufgebaut ist, dass ohne äußeres Magnetfeld die Magnetisierung der einen ferromagnetischen Schicht antiparallel zu der benachbarten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist ( DE 38 20 475 C1 ). Generell werden solche Schichtsysteme mit alternierenden magnetischen und nicht magnetischen Schichten, bei denen der elektrische Widerstand von der relativen Magnetisierungsrichtung benachbarter Schichten abhängt, als GMR-Systeme bezeichnet. In diesem Sinne ist auch die Bezeichnung GMR-Sensor in der vorliegenden Anmeldung zu verstehen.Increasingly, the AMR sensors for magnetic field measurement are replaced by more sensitive GMR sensors, which are characterized by high achievable resistance changes. Such a magnetic field sensor with a ferromagnetic, thin layer and associated current and voltage contacts for reading out a signal or data has a layer system with at least one second ferromagnetic layer adjacent to an intermediate layer of non-magnetic metal, wherein the layer system is constructed such that without external magnetic field the magnetization of one ferromagnetic layer is oriented in anti-parallel to the adjacent ferromagnetic layer ( DE 38 20 475 C1 ). In general, such layer systems with alternating magneti and non-magnetic layers, in which the electrical resistance of the relative magnetization direction of adjacent layers depends, referred to as GMR systems. In this sense, the term GMR sensor is to be understood in the present application.

Ein bekannter Magnetfeldsensor verwendet GMR-Multilagen und Flussverstärker aus weichmagnetischem Material. Durch Anordnung einer als Mäander ausgebildeten GMR-Sensorschicht zu den Flussverstärkern kann eine Winkelmessung erfolgen. Speziell in einer Kompassanwendung hat jedoch dieser Magnetfeldsensor den Nachteil einer begrenzten Winkeleindeutigkeit von 180°, so dass Nord und Süd nicht ohne weiteres unterscheidbar sind. Weiterhin können die aus Permalloy bestehenden Flussverstärker die Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors durch unbeabsichtigte Ummagnetisierung verschieben, was die Anwendung verunsichert.One known magnetic field sensor uses GMR multilayers and flux amplifiers made of soft magnetic material. By arranging one as a meander trained GMR sensor layer to the flux amplifiers can be made an angle measurement. Especially in a compass application However, this magnetic field sensor has the disadvantage of a limited angle uniqueness of 180 °, so that north and south not readily are distinguishable. Furthermore, the permalloy existing flux amplifier through the sensitivity of the magnetic field sensor unintentional re-magnetization postponing what the application insecure.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Magnetfeldsensor zur Erfassung eines äußeren magnetischen Felds, insbesondere eines Erdmagnetfelds, mit mindestens zwei parallelen magnetoresistiven Schichtstreifenelementen mit Strom- und/oder Spannungskontakten zum Erzeugen eines Messsignals zu schaffen, der sich durch hohe, zeitlich konstante Messempfindlichkeit ohne Einschränkung hinsichtlich der Richtungseindeutigkeit auszeichnet und wenig aufwendig herstellbar ist.Of the The present invention is therefore based on the object, a magnetic field sensor for detecting an external magnetic field, in particular a geomagnetic field, with at least two parallel magnetoresistive layer strip elements with current and / or voltage contacts to create a measurement signal characterized by high, constant measuring sensitivity without restriction in terms of directional clarity and little expensive can be produced.

Diese Aufgabe wird mit einem Magnetfeldsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These Task is with a magnetic field sensor with the features of the claim 1 solved.

Bei diesem Magnetfeldsensor werden die durch ein zu den Schichtstreifenelementen parallelen Komponenten des erfassten äußeren Magnetfelds erzeugten Spannungspegel von zwei parallelen magnetoresistiven Schichtstreifenelementen, die parallel zu ihrer Schichtstreifenrichtung und zueinander entgegengesetzt gleich remanent vormagnetisiert sind und somit eine unterschiedliche Remanenz aufweisen, direkt miteinander verglichen, d. h. subtrahiert, um ein eindeutiges Messsignal in einem Bereich der Hysteresekurve des magnetoresistiven Materials der beiden Schichtstreifenelemente zu erzeugen. Der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor zeichnet sich somit durch eine messtechnische Nutzung der magnetischen Hysterese der unterschiedlich vorkonditionierten Schichtstreifenelemente aus. Damit wird ein hochempfindlicher, unkomplizierter Magnetfeldsensor geschaffen, der eindeutig und reproduzierbar kleine äußere Magnetfelder, z. B. in dem Bereich bis 4 Oe, also insbesondere das Erdmagnetfeld, messen kann. Die Nutzung der Hysterese für Messzwecke erfordert eine gleichzeitige entgegengesetzte Vormagnetisierung der beiden parallelen Schichtstreifenelemente aus ferromagnetischem Material mit deutlichen Hystereseeigenschaften durch ein zu ihrer Schichtstreifenrichtung paralleles äußeres Magnetisierungsfeld, welches die Schichtstreifenelemente jedoch nicht in die Sättigung zu magnetisieren braucht.at This magnetic field sensor to be through a to the layer strip elements generated parallel components of the detected external magnetic field Voltage levels of two parallel magnetoresistive layer strip elements, the parallel to their layer strip direction and opposite to each other are remanently pre-magnetized and thus a different Remanence, directly compared with each other, d. H. subtracted by a unique measurement signal in a range of the hysteresis curve the magnetoresistive material of the two layer strip elements to create. The magnetic field sensor according to the invention records thus by a metrological use of the magnetic hysteresis the differently preconditioned layer strip elements. In order to creates a highly sensitive, uncomplicated magnetic field sensor, the unique and reproducible little outer Magnetic fields, z. B. in the range to 4 Oe, so in particular the Geomagnetic field, can measure. The use of hysteresis for Measurement requires a simultaneous opposite bias the two parallel layer strip elements of ferromagnetic material with distinct hysteresis properties through to their layer stripe direction parallel outer magnetizing field, which However, the layer strip elements are not in saturation needs to magnetize.

Das Hystereseverhalten der Schichtstreifenelemente zeigt sich in deren Transfercharakteristiken, die im Einzelnen gemäß den Ansprüchen 2 und 3 an den beiden parallelen magnetoresistiven, entgegengesetzt vormagnetisierten Schichtstreifenelementen eingestellt sind und vorzugsweise in einem Bereich zwischen deren Maxima für eine Messung des äußeren Magnetfelds genutzt werden, siehe Anspruch 4. Aus den Transfercharakteristiken der beiden abgesehen von der Vormagnetisierung gleichen Schichtstreifenele mente ergeben sich ohne zu erfassendes äußeres Magnetfeld gleiche Widerstände und somit eine Spannungsdifferenz zwischen den Schichtstreifenelementen von Null, abgesehen von einem bauelementetoleranz- und/oder temperaturbedingten Offset. Liegt aber ein äußeres Magnetfeld an von bis zu einem maximalen Wert von etwa 4 Oe, dann entsteht je nach Magnetfeldrichtung eine positive oder negative Spannungsdifferenz, da das eine Schichtstreifenelement auf einem aufsteigenden Ast wirkt und das andere Schichtstreifenelement auf einem absteigenden Ast. Beide Äste kreuzen sich bei dem äußeren Magnetfeld Null. Damit wird eine hohe Messempfindlichkeit erzielt. Wenn das äußere Magnetfeld parallel zu den Schichtstreifenelementen die Richtung ändert, d. h. in Gegenrichtung übergeht, ändert sich dementsprechend das Vorzeichen der Differenzspannung, welche somit eindeutig von der Richtung des äußeren Felds abhängt. Um den Nullpunkt der Differenzspannung bis in die Nähe jeweils eines der Maxima der Transfercharakteristiken verläuft die Abhängigkeit der Spannungsdifferenz von dem äußeren Feld parallel zur Schichtstreifenrichtung weitgehend linear.The Hysteresis behavior of the layer strip elements shows up in their Transfer characteristics, which are described in detail in accordance with Claims 2 and 3 at the two parallel magnetoresistive, set opposite pre-magnetized layer strip elements are and preferably in a range between their maxima for a measurement of the external magnetic field are used, see claim 4. Apart from the transfer characteristics of the two derive from the bias same Schichtstreifenele elements same without external magnetic field to be detected Resistors and thus a voltage difference between the layer strip elements of zero, apart from a component tolerance and / or temperature-related offset. But is an outside Magnetic field up to a maximum value of about 4 Oe, then Depending on the direction of the magnetic field, a positive or negative occurs Voltage difference, since the one layer strip element on a ascending branch acts on and the other layer strip element a descending branch. Both branches intersect at the outer Zero magnetic field. This achieves a high measuring sensitivity. When the external magnetic field is parallel to the layer strip elements the direction changes, d. H. in the opposite direction, changes Accordingly, the sign of the differential voltage, which thus clearly from the direction of the external field depends. Around the zero point of the differential voltage up to the proximity of each one of the maxima of the transfer characteristics the dependence of the voltage difference runs from the outer field parallel to the stripe direction largely linear.

Zu der obigen vorteilhaften Nutzung der Hystereseeigenschaften der magnetoresistiven Schichtstreifen zur Messung kleiner äußerer Magnetfelder, braucht gemäß Anspruch 5 die entgegengesetzt gleiche Remanenz der Schichtstreifenelemente nicht durch vorangehende Sättigungsmagnetisierung eingestellt zu sein, sondern es reicht hierzu eine geringere Vormagnetisierung aus. Der dementsprechend geringe Magnetisierungsstrom wirkt sich weiterhin dann besonders günstig aus, wenn zur an sich bekannten Beseitigung bzw. Minimierung eines Offset des Messsignals und damit zur Erhöhung der Messgenauigkeit, die Schichtstreifenelemente gemäß Anspruch 6 periodisch ummagnetisiert werden. Dazu genügen wegen des geringeren Strombedarfs wenig leistungsstarke Bauelemente der Magnetisierungs- bzw. Ummagnetisierungsmittel.To the above advantageous use of the hysteresis of the Magnetoresistive layer strip for measuring small outer Magnetic fields needs according to claim 5, the opposite same remanence of the layer strip elements not by preceding Saturation magnetization to be adjusted, but it For this purpose, a lower bias is sufficient. The accordingly low Magnetizing current continues to have a particularly favorable effect if, for the known elimination or minimization of a Offset of the measuring signal and thus to increase the measuring accuracy, the layer strip elements according to claim 6 periodically be remagnetized. Suffice it for the sake of the lower Electricity requirements of low-performance components of the magnetization or Ummagnetisierungsmittel.

Auch besteht die Möglichkeit, gemäß Anspruch 7 Leiterbahnen für die Magnetisierung unter dem Magnetfeldsensor anzuordnen. Weil dünne Leiterbahnen der Magnetisierungsleiteranordnung und Zuleitungen zu dieser genügen, können die Abmessungen des Magnetfeldsensors verringert werden. Die Herstellung kann vereinfacht werden, insbesondere durch Sputtern der Magnetisierungsleiteranordnung und deren Zuleitungen in einem Schritt.Also there is the possibility according to claim 7 tracks for the magnetization under the magnetic field sensor to arrange. Because thin conductor tracks of the magnetization conductor arrangement and supply lines to this are sufficient, the Dimensions of the magnetic field sensor can be reduced. The production can be simplified, in particular by sputtering of the magnetization conductor arrangement and their supply lines in one step.

Eine Magnetisierung der Schichtstreifenelemente bis zur Sättigung kann jedoch ebenfalls erfolgen. Damit wird ein reproduzierbarer Ausgangszustand der Magnetisierung der Schichtstreifenelemente erzeugt, was insbesondere bei größeren äußeren Störfeldern wünschenswert sein kann.A Magnetization of the layer strip elements to saturation However, this can also be done. This will be a reproducible Initial state of the magnetization of the layer strip elements produced, which is especially true for larger external interference fields may be desirable.

Die hohen Widerstandsänderungseffekte von GMR-Sensoren können besonders vorteilhaft mit dem auf Hysterese beruhenden Messprinzip kombiniert gemäß Anspruch 8 genutzt werden. Unter GMR-Sensoren bzw. GMR-Elementen werden, wie oben erwähnt, solche verstanden, die alternierend magnetische und nicht magnetische Schichten aufweisen und bei denen der elektrische Widerstand von der relativen Magnetisierungsrichtung abhängt. Sie können zwei oder mehrere ferromagnetische Schichten mit jeweils einer zwischen diesen angeordneten Zwischenschicht aus nicht magnetischem Metall besitzen, wobei das Schichtsystem so aufgebaut ist, dass ohne äußeres Magnetfeld die Magnetisierung der einen ferromagnetischen Schicht antiparallel zu der anliegenden oder benachbarten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist. Die benachbarten ferromagnetischen Schichten können beispielsweise aus Fe, Co, Ni oder Legierung hiervon bestehen. Eine GMR-Mehrfachschicht kann zwei oder mehrere Schichten aus Permalloy, und jeweils eine Zwischenschicht zwischen diesen aus Kupfer umfassen. Erfindungsgemäß bevorzugt sind gemäß Anspruch 9 in Mäander strukturier te GMR-Multilagen als Schichtstreifenelemente. Mit der Mäanderstruktur kann ein genügend hoher Widerstandswert erreicht werden. Aufgrund der hohen Formanisotropie der Mäanderstreifen ist dieses System besonders empfindlich auf Felder parallel zu den Schichtstreifen bzw. in deren Streifenrichtung, die gleich der Empfindlichkeitsrichtung ist.The high resistance change effects of GMR sensors can particularly advantageous with the hysteresis based measuring principle combined used according to claim 8. Under GMR sensors or GMR elements are, as mentioned above, understood such having alternating magnetic and non-magnetic layers and wherein the electrical resistance from the relative direction of magnetization depends. You can use two or more ferromagnetic Layers, each with an intermediate layer arranged between them made of non-magnetic metal, the layer system is constructed so that without external magnetic field the magnetization of a ferromagnetic layer antiparallel aligned with the adjacent or adjacent ferromagnetic layer is. The adjacent ferromagnetic layers can For example, consist of Fe, Co, Ni or alloy thereof. A GMR multilayer can be two or more layers of permalloy, and each comprise an intermediate layer between them of copper. According to the invention are preferred according to claim 9 in meander structured GMR multilayers as layer strip elements. With the meander structure can be a sufficiently high Resistance value can be achieved. Due to the high shape anisotropy the meandering strip is particularly sensitive to this system on fields parallel to the layer strips or in their strip direction, which is equal to the sensitivity direction.

Der gleichzeitig unterschiedliche Vormagnetisierungszustand von wenigstens zwei magnetoresistiven Schichtstreifenelementen mit Hystereseeigenschaften kann auch mit TMR-Elementen (tunnel magneto resistive elements) zur Messung schwacher Magnetfelder gemäß Anspruch 10 genutzt werden, vor allem für Anwendungen, die hochohmige Schichtstreifenelemente verlangen. Damit können bei kleineren Strömen ausreichende Spannungspegel und somit Messsignale erreicht werden.Of the simultaneously different bias state of at least two magnetoresistive layer strip elements with hysteresis properties can also be used with TMR elements (tunnel magneto resistive elements) for measuring weak magnetic fields according to claim 10, especially for applications requiring high-resistance layer strip elements desire. This allows for smaller currents sufficient voltage levels and thus measurement signals can be achieved.

Gemäß Anspruch 11 kann der Magnetfeldsensor, dessen Hystereseverhalten zur Bildung eines Messsignals genutzt wird, zusätzlich mit einem Kompensationsstromleiter an den Schichtstreifenelementen ausgestattet sein, der in einer Kompensationsschaltungsanordnung mit einem selbsttätig so groß eingeregelten Kompensationsstrom gespeist wird, dass das zu messende äußere Magnetfeld damit weitgehend kompensiert wird. Damit kann die Abhängigkeit des Kompensationsstroms von dem zu messenden äußeren magnetischen Feld linearisiert werden.According to claim 11, the magnetic field sensor, whose hysteresis behavior to form a Signal is used, in addition to a compensation current conductor be equipped on the layer strip elements in a Compensation circuitry with a self-acting as large adjusted compensation current is fed, that the external magnetic field to be measured thus largely is compensated. This can be the dependence of the compensation current from the external magnetic field to be measured be linearized.

Die beiden jeweils entgegengesetzt gleich vormagnetisierten Schichtstreifenelemente, deren Hystereseverhalten zur Messung eines schwachen Magnetfelds genutzt wird, sind wenigstens in einer Halbbrücke und nach Anspruch 12 bevorzugt in einer Wheatstonebrücke angeordnet, mit der u. a. störende Temperatureffekte minimiert werden können. Ein solcher unerwünschter Temperatureffekt besteht bei einem GMR-Sensor in einer Wider standsabnahme mit sinkender Temperatur. In einer Wheatstonebrücke mit vier magnetoresistiven Schichtstreifenelementen als Brückenwiderstände ist die Magnetisierungsleiteranordnung insbesondere so an den Schichtstreifenelementen angeordnet, dass jeweils in der Brücke diagonal gegenüberliegende Schichtstreifenelemente in gleicher Schichtstreifenrichtung remanent vormagnetisiert werden und jeweils zwei in Reihe liegende Schichtstreifenelemente zwar ebenfalls parallel zur Schichtstreifenrichtung, jedoch zueinander entgegengesetzt remanent vormagnetisiert werden. Zu diesem Zweck kann ein durchgehender Leiterstreifen z. B. annähernd als unter den mäanderförmigen Schichtstreifenelementen angeordnete Acht geformt sein.The both oppositely equal pre-magnetized layer strip elements, their hysteresis behavior for measuring a weak magnetic field is used, at least in a half-bridge and after Claim 12 preferably arranged in a Wheatstone bridge, with the u. a. disturbing temperature effects are minimized can. Such an undesirable temperature effect exists in a GMR sensor in a resistance decrease with sinking Temperature. In a Wheatstone bridge with four magnetoresistive Layer strip elements as bridge resistors the magnetization conductor arrangement is in particular so on the layer strip elements arranged in each case in the bridge diagonally opposite Layer strip elements remanent in the same layer strip direction be biased and in each case two in-line layer strip elements Although also parallel to the stripe direction, but to each other be remanently biased opposite. To this end can a continuous conductor strip z. B. approximately as under the meandering layer strip elements be arranged arranged Eight.

Für eine Messung der äußeren Magnetfeldrichtung weist ein Magnetfeldsensorsystem nach Anspruch 13 zwei der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoren auf, bei dem die Schichtstreifen um 90° gegenseitig gedreht sind und in einer Messschaltungsanordnung so angeordnet sind, dass ein Magnetfeldvektor in einer durch zwei Empfindlichkeitsrichtungen definierte Ebene erfasst wird, in der die beiden Schichtstreifen liegen.For a measurement of the external magnetic field direction has a magnetic field sensor system according to claim 13 two of the invention Magnetic field sensors, in which the layer strips mutually by 90 ° are rotated and arranged in a measuring circuit arrangement so are that a magnetic field vector in one by two sensitivity directions defined level is recorded, in which the two layer strips lie.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit zwei Figuren beschrieben, woraus sich weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben können. Es zeigen:One preferred embodiment of the invention Magnetic field sensor is described below with reference to a drawing with two Figures described, from which further details of the invention can result. Show it:

1 in schematischer Darstellung einen Magnetfeldsensor mit vier parallelen magnetoresistiven Schichtstreifenelementen, die in einer Wheatstonebrücke angeordnet sind, mit Strom- und Spannungskontakten zum Erzeugen eines Messsignals sowie einer Leiterbahn zum Erzeugen eines Magnetfeldes und 1 a schematic representation of a magnetic field sensor with four parallel magnetoresistive layer strip elements, which are arranged in a Wheatstone bridge, with current and voltage contacts for generating a measurement signal and a conductor for generating a magnet field and

2 Transferkurven magnetoresistiver Schichtstreifenelemente von denen jeweils zwei räumlich parallel und elektrisch in der Wheatstonebrücke in Serie angeordnet sein können. 2 Transfer curves of magnetoresistive layer strip elements, of which in each case two can be arranged spatially parallel and electrically in series in the Wheatstone bridge.

In 1 sind vier in Mäander strukturierte GMR-Multilagen, die magnetoresistive Schichtstreifenelemente 1, 2, 3, 4 darstellen, in einer allgemein mit 5 bezeichneten Wheatstonebrücke angeordnet. Die GMR-Multilagen können zusammen mit den an sie angeschlossenen bzw. benachbarten Leitern auf einem Substrat in Dünnschichttechnik ausgeführt sein. Die Wheatstonebrücke 5 weist Kontakte 6 und 7 zum Anschluss einer Versorgungsspannung bzw. bevorzugt eines eingeprägten Stroms auf, sowie Kontakte 8 und 9, welche Brückenabgriffe jeweils an einer Verbindungsstelle der in Reihe geschalteten Schichtstreifenelemente 1 und 3 bzw. Schichtstreifenelemente 2 und 4 bilden und von denen das Messsignal abgegriffen werden kann.In 1 are four meander structured GMR multilayers, the magnetoresistive layer strip elements 1 . 2 . 3 . 4 represent, in a general with 5 designated Wheatstone bridge arranged. The GMR multilayers, together with the conductors connected to them or adjacent to one another, can be embodied on a substrate in thin-film technology. The Wheatstone Bridge 5 has contacts 6 and 7 for connecting a supply voltage or preferably an impressed current, as well as contacts 8th and 9 which Brückenabgriffe each at a junction of the series-connected layer strip elements 1 and 3 or layer strip elements 2 and 4 form and from which the measurement signal can be tapped.

In räumlicher Nähe unter bzw. über den magnetoresistiven Schichtstreifenelementen 1–4 ist isoliert eine Magnetisierungsleiteranordnung 10 angeordnet, die einen Eingangskontakt 11 und einen Ausgangskontakt 12 für einen umkehrbar getakteten Magnetisierungsstrom aufweist.In spatial proximity below or above the magnetoresistive layer strip elements 1 - 4 is a magnetization conductor arrangement isolated 10 arranged, which has an input contact 11 and an output contact 12 for a reversibly clocked magnetizing current.

Wie aus 1 ersichtlich, ist die Magnetisierungsleiteranordnung so annähernd in Form einer liegenden Acht ausgebildet, so dass beispielsweise ein Magnetisierungsstrom I unter den Schichtstreifenelementen 1 und 4 nach links fließt und unter den Schichtstreifenelementen 2 und 3 nach rechts. Damit werden die magnetoresistiven Schichtstreifenelemente 1 und 4 in Streifenrichtung S, die auch die Empfindlichkeitsrichtung ist, mit dem magnetischen Feld M1 bzw. M4 vormagnetisiert und die Schichtstreifenelemente 2 und 3 werden entgegen der Streifenrichtung S mit dem magnetischen Feld M2 bzw. M3 vormagnetisiert. Bei Richtungsänderung des Magnetisierungsstroms kehren sich natürlich die Richtungen der magnetischen Felder M1–M4 entsprechend um. Somit sind jeweils zwei in der Wheatstonebrücke in Reihe liegende magnetoresistive Schichtstreifenelemente 1 und 3 bzw. 2 und 4 durch den Magnetisierungsstrom I zueinander entgegengesetzt remanent magnetisiert, wenn ein äußeres Magnetfeld, das gemessen werden soll, auf die Schichtstreifenelemente 1–4 einwirkt.How out 1 As can be seen, the magnetization conductor arrangement is formed approximately in the shape of a horizontal figure eight, so that, for example, a magnetizing current I below the layer strip elements 1 and 4 flows to the left and under the layer strip elements 2 and 3 to the right. This will be the magnetoresistive layer strip elements 1 and 4 in the strip direction S, which is also the sensitivity direction, with the magnetic field M1 or M4 pre-magnetized and the layer strip elements 2 and 3 are biased against the strip direction S with the magnetic field M2 or M3. When the direction of the magnetization current changes, the directions of the magnetic fields M1-M4 naturally change accordingly. Thus, there are two magnetoresistive layer strip elements in series in the Wheatstone bridge 1 and 3 respectively. 2 and 4 by the magnetizing current I opposite to each other remanently magnetized when an external magnetic field to be measured, on the layer strip elements 1 - 4 acts.

In der Brückenschaltung wird das als Brückenspannung von den Kontakten 8 und 9 abgreifbare Messsignal im Prinzip als Differenz von Spannungen gebildet, die an zueinander entgegengesetzt parallel zu der Streifenrichtung S vormagnetisierten Schichtstreifen 1 und 3 bzw. 2 und 4 entstehen.In the bridge circuit, this is called bridge voltage from the contacts 8th and 9 tapped measurement signal formed in principle as a difference of voltages, which at mutually opposite parallel to the strip direction S pre-magnetized layer strip 1 and 3 respectively. 2 and 4 arise.

Hierzu wird im einzelnen auf 2 Bezug genommen, die Transferkurven 13, 14 des Widerstands gleicher magnetoresistiver Schichtstreifenelemente, aber in zueinander entgegengesetzten Vormagnetisierungszuständen bzw. Remanenz in Abhängigkeit von der Komponente des äußeren magnetischen Felds parallel zu den Schichtstreifenelementen darstellt. (Die Ordinaten sind als Widerstände angegeben, denen bei Konstantstrom die an den Schichtstreifenelementen entstehenden Spannungen entsprechen.)This is discussed in detail 2 Reference, the transfer curves 13 . 14 the resistance of the same magnetoresistive layer strip elements, but in opposite bias states or remanence depending on the component of the external magnetic field parallel to the layer strip elements represents. (The ordinates are indicated as resistors which correspond to the voltages generated at the stripe elements at constant current.)

Wie aus 2 ersichtlich, sind die beiden Transferkurven 13 und 14 hysteresebedingt zueinander um etwa 3–5 Oe versetzt, und sie weisen bezüglich jeweils eines Maximums zwei Äste auf. Die beiden symmetrisch zu dem Nullpunkt versetzten Transferkurven 13, 14 der entgegengesetzt vormagnetisierten beiden Schichtstreifenelemente zeigen ohne äußeres Feld H = 0 gleiche Widerstände bzw. Spannungen, die voneinander subtrahiert verschwinden, so dass ohne äußeres Feld das Messsignal Null ist. Mit einem äußeren Feld Hext, wiederum parallel zu der Streifenrichtung S in 1, wächst die Spannung an dem einen Schichtstreifenelement linear an und die Spannung an dem anderen, zu ihm in Reihe liegenden Schichtstreifenelement fällt linear ab, so dass entsprechend der Widerstandsdifferenz ΔR dieser beiden Schichtstreifenelemente ein Messsignal des Betrags ΔU entsteht, wenn ein Konstantstrom durch die Schichtstreifenelemente fließt. In dieser Weise kann als Differenz der Spannungen an zwei in Reihe liegenden Schichtstreifenelementen 1 und 3 bzw. 2 und 4 das Messsignal in dem Bereich zwischen den Maxima der Transferkurven 13, 14 gebildet werden.How out 2 As can be seen, the two transfer curves 13 and 14 Hysteresebedingt each other by about 3-5 Oe offset, and they each have a maximum two branches. The two symmetric offset to the zero point transfer curves 13 . 14 The oppositely biased two layer strip elements show without external field H = 0 equal resistances or voltages which subtract from each other disappear, so that without external field, the measurement signal is zero. With an outer field Hext, again parallel to the strip direction S in 1 , the voltage on the one layer strip element grows linearly and the voltage on the other layer strip element lying in series falls off linearly, so that a measurement signal of magnitude ΔU arises according to the resistance difference ΔR of these two layer strip elements when a constant current flows through the layer strip elements , In this way, as the difference of the voltages on two series stratified elements 1 and 3 respectively. 2 and 4 the measurement signal in the range between the maxima of the transfer curves 13 . 14 be formed.

Bemerkenswert für die obige Funktion der magnetoresistiven Schichtstreifenelemente mit Nutzung deren Hysterese ist, dass hierzu die magnetoresistiven Schichtstreifenelemente nicht in Sättigung magnetisiert zu werden brauchen, damit sie für die Messzwecke ausreichend remanent vormagnetisiert sind.Remarkable for the above function of the magnetoresistive layer strip elements with use of their hysteresis is that this is the magnetoresistive Layered strip elements are not magnetized to saturation need to be sufficient for the measurement purposes are remanently biased.

Aus der Anschauung der 2 ergibt sich auch, dass bei einer Umkehr des zu erfassenden äußeren magnetischen Felds das in der Wheatstonebrücke 5 gebildete Messsignal entsprechend der Differenz der Spannungen an zwei entgegengesetzt zueinander vormagnetisierten Schichtstreifenelementen 1, 3 bzw. 2, 4 das Vorzeichen ändert. Das Messsignal gibt also das Vorzeichen des äußeren Magnetfelds wieder.From the view of the 2 also shows that in a reversal of the outer magnetic field to be detected in the Wheatstone bridge 5 formed measurement signal corresponding to the difference of the voltages on two oppositely biased layer strip elements 1 . 3 respectively. 2 . 4 the sign changes. The measurement signal thus reflects the sign of the external magnetic field.

Durch periodische Änderung der Vormagnetisierung mittels entsprechender Magnetisierungsstromimpulse wechselnder Vorzeichen kann ein Offset der Wheatstonebrücke für genaue Messungen minimiert werden, wobei, wie oben festgestellt, die GMR-Elemente als magnetoresistive Schichtstreifenelemente nicht vollständig in den Ein-Domänen-Zustand magnetisiert zu sein brauchen.By periodically changing the bias by means of corresponding magnetizing current pulses of alternating sign, an offset of the Wheatstone bridge for accurate measurements can be minimized, wherein, as stated above GMR elements need not be completely magnetized into the single-domain state as magnetoresistive layer stripe elements.

11
magnetoresistives Schichtstreifenelementmagnetoresistive Layer strip element
22
magnetoresistives Schichtstreifenelementmagnetoresistive Layer strip element
33
magnetoresistives Schichtstreifenelementmagnetoresistive Layer strip element
44
magnetoresistives Schichtstreifenelementmagnetoresistive Layer strip element
55
WheatstonebrückeWheatstone bridge
66
Kontakt VersorgungsspannungContact supply voltage
77
Kontakt VersorgungsspannungContact supply voltage
88th
Kontakt BrückenabgriffContact Brückenabgriff
99
Kontakt BrückenabgriffContact Brückenabgriff
1010
MagnetisierungsleiteranordnungMagnetization conductor arrangement
1111
Eingangskontakt für Magnetisierungsstrominput contact for magnetizing current
1212
Ausgangskontakt für Magnetisierungsstromoutput contact for magnetizing current
1313
Transferkurvetransfer curve
1414
Transferkurvetransfer curve

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Claims (13)

Magnetfeldsensor zur Erfassung eines äußeren magnetischen Felds, insbesondere des Erdmagnetfelds, mit mindestens zwei parallelen magnetoresistiven Schichtstreifenelementen (1–4) mit Strom- und/oder Spannungskontakten (6–9) zum Erzeugen eines Messsignals, wobei die Schichtstreifenelemente (1–4) mit gleicher Spezifikation, jedoch jeweils parallel zu der Schichtstreifenrichtung (S) zueinander entgegengesetzt gleich remanent vormagnetisiert sind (M1, M2, M3, M4) und wobei Mittel zum Bilden des Messsignals (ΔU) aus der Differenz zwischen den an den beiden Schichtstreifenelementen (1, 3 bzw. 2, 4) gleichzeitig auftretenden Spannungen vorgesehen sind.Magnetic field sensor for detecting an external magnetic field, in particular the earth's magnetic field, with at least two parallel magnetoresistive layer strip elements ( 1 - 4 ) with current and / or voltage contacts ( 6 - 9 ) for generating a measurement signal, wherein the layer strip elements ( 1 - 4 ) with the same specification, but in each case parallel to the layer strip direction (S) opposite to each other are equally remanent biased (M 1 , M 2 , M 3 , M 4 ) and wherein means for forming the measurement signal (ΔU) from the difference between the at the two layer strip elements ( 1 . 3 respectively. 2 . 4 ) are provided simultaneously occurring voltages. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schichtstreifenelemente (1, 3 bzw. 2, 4) jeweils auf eine Transfercharakteristik zwischen der Feldstärke des äußeren Magnetfelds parallel zur Schichtstreifenrichtung (S) und dem Widerstand des Schichtstreifenelements (1, 3 bzw. 2, 4) mit jeweils einem Maximum bei einer von Null abweichenden Feldstärke des äußeren Magnetfelds eingestellt sind, derart, dass die Feldstärke, bei der das Maximum an einem ersten der beiden Schichtstreifenelemente (1 bzw. 3) auftritt, das umgekehrte Vorzei chen hat wie die Feldstärke, bei der das Maximum an einem zweiten der beiden Schichtelemente (2 bzw. 4) auftritt.Magnetic field sensor according to claim 1, characterized in that the two layer strip elements ( 1 . 3 respectively. 2 . 4 ) in each case to a transfer characteristic between the field strength of the external magnetic field parallel to the layer strip direction (S) and the resistance of the layer strip element ( 1 . 3 respectively. 2 . 4 ) are each set to a maximum at a non-zero field strength of the external magnetic field, such that the field strength at which the maximum at a first of the two layer strip elements ( 1 respectively. 3 ), which has the opposite sign as the field strength at which the maximum at a second of the two layer elements ( 2 respectively. 4 ) occurs. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände der beiden Schichtstreifenelemente (1, 3 bzw. 2, 4) bei Abwesenheit eines äußeren Felds im Wesentlichen gleich sind.Magnetic field sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the resistances of the two layer strip elements ( 1 . 3 respectively. 2 . 4 ) are substantially the same in the absence of an external field. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich auf Feldstärken des äußeren Feldes kleiner als denjenigen begrenzt ist, denen die Maxima der Widerstände der Schichtstreifenelemente (1, 3 bzw. 2, 4) entsprechen.Magnetic field sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the measuring range is limited to field strengths of the external field smaller than those to which the maximums of the resistances of the layer strip elements ( 1 . 3 respectively. 2 . 4 ) correspond. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine entgegengesetzte gleiche Remanenz der Schichtstreifenelemente (1–4) durch eine geringere Magnetisierung als die Sättigungsmagnetisierung eingestellt ist.Magnetic field sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that an opposite equal remanence of the layer strip elements ( 1 - 4 ) is set by a lower magnetization than the saturation magnetization. Magnetfeldsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zum Einstellen der entgegengesetzt gleichen remanenten Vormagnetisierung der beiden Schichtstreifenelemente und zur vorzugsweise periodischen Umkehr der Vormagnetisierung.Magnetic field sensor according to one of the preceding claims, characterized by means for setting the opposite same Remanent bias of the two layer strip elements and for preferably periodically reversing the bias. Magnetfeldsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Einstellen der remanenten Vormagnetisierung eine an den Schichtstreifenelementen angeordnete Magnetisierungsleiteranordnung (10) umfassen.Magnetic field sensor according to Claim 6, characterized in that the means for setting the remanent biasing comprise a magnetization conductor arrangement (16) arranged on the layer strip elements ( 10 ). Magnetfeldsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schichtstreifenelement (1–4) ein GMR-Element mit einem Schichtsystem ist, das zwei oder mehrere über je eine nicht magnetische Zwischenschicht benachbarte ferromagnetische Schichten aufweist, und dass das Schichtsystem so aufgebaut ist, dass ohne äußeres Magnetfeld die eine der ferromagnetischen Schichten antiparallel zu der anderen, benachbarten ferromagnetischen Schicht ausgerichtet ist.Magnetic field sensor according to one of the preceding claims, characterized in that each layer strip element ( 1 - 4 ) is a GMR element with a layer system having two or more ferromagnetic layers adjacent to each other via a non-magnetic intermediate layer, and that the layer system is constructed so that without external magnetic field, one of the ferromagnetic layers in anti-parallel to the other, adjacent ferromagnetic layer is aligned. Magnetfeldsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schichtstreifenelement in Mäander strukturierte GMR-Multilagen umfasst.Magnetic field sensor according to Claim 8, characterized that each layer strip element structured in meanders GMR multilayers. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1–7, gekennzeichnet durch TMR-Elemente als Schichtstreifenelemente (1–4).Magnetic field sensor according to one of Claims 1 to 7, characterized by TMR elements as layer strip elements ( 1 - 4 ). Magnetfeldsensor nach einen der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an den Schichtstreifenelementen (1–4) außer der Magnetisierungsleiteranordnung, mit der jeweils zwei der Schichtstreifenelemente (1, 3 bzw. 2, 4) entgegengesetzt gleich vormagnetisierbar sind, ein Kompensationsstromleiter angeordnet ist.Magnetic field sensor according to one of claims 7 to 10, characterized in that on the layer strip elements ( 1 - 4 ) except the magnetization conductor arrangement, with each of two of the layer strip elements ( 1 . 3 respectively. 2 . 4 ) are opposite equal pre-magnetizable, a compensation current conductor is arranged. Magnetfeldsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils entgegengesetzt gleich vormagnetisierten Schichtstreifenelemente (1, 3 bzw. 2, 4) in einer Wheatstonebrücke (5) angeordnet sind.Magnetic field sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the respective oppositely identical pre-magnetized layer strip elements ( 1 . 3 respectively. 2 . 4 ) in a Wheatstone bridge ( 5 ) are arranged. Magnetfeldsensorsystem mit zwei Magnetfeldsensoren nach einem der vorangehenden Ansprüche, in dem die Schichtstreifen um 90° gegenseitig gedreht sind und in einer Messschaltungsanordnung so angeordnet sind, dass ein Magnetfeldvektor in einer Ebene erfasst wird, in der die beiden Schichtstreifen liegen.Magnetic field sensor system with two magnetic field sensors according to one of the preceding claims, in which the layer strips rotated by 90 ° to each other and in a measuring circuit arrangement are arranged so that detects a magnetic field vector in a plane becomes, in which the two layer strips lie.
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