DE102008041859A1

DE102008041859A1 - Magnetfeldsensoranordnung zur Messung von räumlichen Komponenten eines magnetischen Feldes

Info

Publication number: DE102008041859A1
Application number: DE102008041859A
Authority: DE
Inventors: Christian Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2010-03-11
Also published as: JP5460191B2; CN101672902B; CN101672902A; JP2010066262A; US8421453B2; US20100072992A1

Abstract

Es wird eine Magnetfeldsensoranordnung zur Messung von räumlichen Komponenten eines magnetischen Feldes vorgeschlagen, bei dem mit Magnetfeldsensoren (4, 5) unter Ausnutzung eines XMR-Effekts in einer magnetoresistiven Schichtstruktur eine weitere senkrechte oder nichtparallel zur Schichtstruktur vorhandene Komponente des zu erfassenden magnetischen Feldes dadurch detektierbar ist, dass mindestens ein Flusskonzentrator (1) derart über die Schichtstruktur angeordnet ist, dass die magnetischen Feldlinien (3) in den Randbereichen des Flusskonzentrators (1) so ablenkbar sind, dass hier die Feldlinien (3) eine horizontale Komponente des magnetischen Feldes ausbilden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Magnetfeldsensoranordnung zur Messung von räumlichen Komponenten eines magnetischen Feldes nach den gattungsgemäßen Merkmalen des Anspruchs 1.
Es ist allgemein bekannt, dass zum Beispiel bei Drehzahl- und Positionssensoren, wie sie z. B. zur Steuerung von Motoren oder auch in Getriebe- oder Fahrdynamiksteuerungen bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, eine Drehbewegung oder Positionsänderung durch eine der Drehung oder der Positionsänderung entsprechenden Veränderung eines magnetischen Feldes erfasst wird. Hierbei werden dann in der Regel an sich bekannte Magnetsensoren eingesetzt, die je nach Anwendung und Einsatzbereich Hallsensoren oder magnetoresistive Sensoren sein können.
Neben magnetoresistiven Strukturen, die auf dem anisotropen magnetischen Widerstandseffekt (AMR) beruhen, sind hier insbesondere die höher empfindlichen Riesenmagnetowiderstands-(GMR) und Tunnelmagnetowiderstandsstrukturen (TMR) zu nennen. Die unterschiedlichen magnetoresistiven Effekte werden im Folgenden zusammenfassend als XMR-Effekte bezeichnet.
Ein Nachteil der Sensoranordnungen mit dem XMR-Effekt ist, dass sie im Gegensatz zu Hallsensoren auf die magnetische Flussdichte in der Ebene der magnetoresistiven Schichtstrukturen empfindlich sind. Solche magnetoresistiven Schichtstrukturen sind dünne metallische Schichten, die auf ein Substrat, insbesondere hier ein Halbleiterchip, aufgebracht werden. Ein Halbleiterchip ist deswegen bevorzugt anwendbar, da er gute Substrateigenschaften hat und elektrische Verbindungen bzw. die gesamte Signalverarbeitung integriert werden kann.
Für bestimmte Anwendungen sind jedoch Magnetfeldmessungen in drei Raumrichtungen erforderlich, bei denen neben der Information über die magnetische Flussdichte in der Halbleiterchipebene auch eine Information über die Komponente senkrecht dazu benötigt wird.
Es ist beispielsweise aus der EP 1 436 849 B1 bekannt, dass bei herkömmlichen Hallsensoren, die gewöhnlich die magnetische Flussdichte senkrecht zur Chipebene messen, die Möglichkeit besteht, die fehlenden Komponenten in der Chipebene durch spezielle vertikale Hallelemente mit einer geringeren Empfindlichkeit zu bestimmen.
Aus der EP 1 182 461 A2 ist es bekannt, dass bei einem Hallsensor mit Hilfe eines Flusskonzentrators die horizontalen Feldkomponenten in die vertikale Richtung umgelenkt werden, um dann mit einem gewöhnlichen Hallelement das Magnetfeld zu erfassen.
Wenn allerdings die höhere Magnetfeldempfindlichkeit der Magnetfeldsensoren mit einer Ausnutzung des XMR-Effekts zur direkten Bestimmung der vertikalen Magnetfeldkomponente herangezogen werden soll, so ist dazu bisher nur aus der EP 1 860 451 A1 zu entnehmen, eine Projektion der vertikalen Magnetfeldkomponente auf eine abgeschrägte Substratfläche des Halbleiterchips zu erfassen, was eine aufwendige Substratherstellung mit einer genauen Kontrolle des Substratwinkels bedeutet, um dann auf die wahre vertikale Magnetfeldkomponente zurückzuschließen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einer Magnetfeldsensoranordnung zur Messung von räumlichen Komponenten eines magnetischen Feldes aus, bei dem mit Magnetfeldsensoren unter Ausnutzung eines XMR-Effekts einer magnetoresistiven Schichtstruktur auf einem Substrat, vorzugsweise ein Halbleiterchip, eine weitere, vorzugsweise senkrecht oder nichtparallel zur Schichtstruktur vorhandene Komponente des zu erfassenden magnetischen Feldes dadurch detektierbar ist, dass mindestens ein Flusskonzentrator derart über der Schichtstruktur angeordnet ist, dass die magnetischen Feldlinien in den Randbereichen des Flusskonzentrators so ablenkbar sind, dass hier die Feldlinien eine horizontale Komponente des magnetischen Feldes ausbilden.
Bevorzugt sind dabei mindestens zwei Magnetfeldsensoren bzw. magnetoresistive Schichten im Randbereich des Flusskonzentrators angeordnet und mit zwei ohmschen Widerständen in einer Messbrückenschaltung verschaltet. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die mindestens zwei Magnetfeldsensoren bzw. magnetoresistive Schichten auf einem äußeren Kreis angeordnet sind und dass innenliegend unter dem scheibenförmigen Flusskonzentrator mindestens zwei weitere Magnetfeldsensoren bzw. magnetoresistive Schichten angeordnet sind.
Vorteilhaft ist es außerdem, wenn die Referenzschichtmagnetisierung der magnetoresistiven Schichtstruktur so ausgerichtet ist, dass sie radial auf den Mittelpunkt des vorzugsweise weichmagnetischen Flusskonzentrators oder alternativ radial von ihm weg zeigt.
Als Ausführungsformen der Magnetfeldsensoren können hier AMR-Sensoren, GMR-Sensoren oder TMR-Sensoren herangezogen werden, die allesamt den sogenannten in der Beschreibungseinleitung erwähnten XMR-Effekt ausnutzen.
Es ist mit der Erfindung auch weiterhin möglich, dass mit zusätzlichen Magnetfeldsensoren bzw. magnetoresistiven Schichten weitere Raumkomponenten des magnetischen Feldes detektierbar sind.
Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Magnetfeldsensoranordnung ergibt sich, wenn die Magnetfeldsensoranordnung bei einer dreidimensionalen Erfassung von magnetischen Feldern, insbesondere bei Kompassanwendungen, verwendet wird.
Mit der Erfindung ist es somit auf einfache Weise möglich, beispielsweise mittels einer sogenannten GMR-Spin-Valve-Widerstandsbrücke auf einem Halbleiterchip diejenige Komponente der magnetischen Flussdichte zu messen, die senkrecht zur Chipebene und somit senkrecht zur Ebene der GMR-Schichten gerichtet ist. In einem weiteren Schritt lässt sich dann durch zwei zusätzliche GMR-Brücken auf dem Chip ein einfacher Magnetsensor für die Magnetfeldmessung in drei Raumrichtungen realisieren.
Nach der Erfindung kann daher mit der Verwendung eines vorzugsweise weichmagnetischen Flusskonzentrators, der beispielsweise die senkrecht zur Ebene der GMR-Schicht verlaufende magnetische Feldkomponente so in die Chipebene ablenkt, die hohe Magnetfeldempfindlichkeit der GMR-Sensoren in der Ebene zur Detektion dieser Komponente ausgenutzt werden. Dazu eignet sich insbesondere eine kreisförmige Scheibengeometrie des Flusskonzentrators. Hierbei ist die Referenzmagnetisierung der GMR-Schicht des Magnetfeldsensors so zu wählen, dass sie immer senkrecht zu Begrenzungslinie des weichmagnetischen Elements verläuft, um einen optimalen Messeffekt zu gewährleisten.
Somit erhält man die Möglichkeit, vorzugsweise die Vertikalkomponente der magnetischen Flussdichte mit einem GMR-Sensor zu messen, was bisher nur mit Hallelementen möglich war. Zusammen mit bekannten Messanordnungen, zum Beispiel Wheatstone-Messbrücken, zur Messung der Magnetfeldkomponenten in der GMR-Sensorschichtebene ist es möglich, mit geringem Aufwand einen sogenannten Drei-Achsen-Magnetfeldsensor rein auf der Basis von GMR-Sensorstrukturen herzustellen. Dies ist zum Beispiel, wie schon erwähnt, für Kompassanwendungen interessant.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch eine Magnetfeldsensoranordnung und einen Flusskonzentrator mit den durch diese Anordnung gebildeten magnetischen Feldlinien,
2 und 3 eine Darstellung der Magnetfeldsensoranordnung nach der 1 mit kreisförmigen Magnetfeldsensoren in einer Seitenansicht (2) und einer Draufsicht (3),
4 eine Draufsicht entsprechend der 3 mit der Feldrichtung eines überlagerten Feldes und
5 ein Beispiel für eine Magnetfeldsensoranordnung in einer Brückenschaltung.
Ausführungsform der Erfindung
Eine in 1 schematisch dargestellte Magntefeldsensoranordnung besteht aus einem weichmagnetischen Flusskonzentrator 1, der sich auf der Oberfläche eines Substrats, hier ein Halbleiterchip 2 als Träger von Magnetfeldsensoren, zum Beispiel von GMR-Sensoren, befindet. Aus der 1 ist zu entnehmen, dass zum Beispiel Feldlinien 3 eines zu erfassenden Magnetfeldes am Randbereich des Flusskonzentrators 1 aus ihrer ursprünglich vertikalen Richtung in eine horizontale Richtung ausgelenkt werden, so dass diese für die Magnetfeldsensoren messbar werden.
Da die Strecken der Feldlinien 3 im Material des Flusskonzentrators 1 für die Ablenkung vertikal zu horizontal kürzer sind als die Strecke für die Ablenkung horizontal zu vertikal, ergibt sich hier zwar ein geringer Ablenkungseffekt, der aber durch die erhöhte Empfindlichkeit der Magnetfeldsensoren kompensiert werden kann. Um den Messeffekt zu erhöhen, könnte der Flusskonzentrator 1 eventuell in einer hier nicht gezeigten Weise in die Substratschicht des Halbleiterchips 2 eingesenkt werden.
Aus 2 sind die Magnetfeldsensoranordnung bzw. die magnetoresistiven Schichtstrukturen nach der 1 mit auf einem äußeren Kreis angeordneten Magnetfeldsensoren 4 (z. B. GMR-Sensoren) und kreisförmigen innen angeordneten Magnetfeldsensoren 5 zwischen dem Flusskonzentrator 1 und dem Halbleiterchip 2 zu entnehmen. Aus 3 ist diese Anordnung in einer Draufsicht erkennbar, wobei der Flusskonzentrator 1 hier gestrichelt umrandet ist. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Ausrichtung einer Referenzschichtmagnetisierung 9 der magnetoresistiven GMR-Schichtstrukturen. Sie zeigt gemäß der 3 und 4 im Idealfall immer radial auf den Mittelpunkt des Flusskonzentrators 1 oder alternativ radial von ihm weg. Nur dann ist sichergestellt, dass ein in der Ebene des Halbleiterchips 2 überlagertes magnetisches Feld, wie es mit der Feldrichtung B_x (Pfeil 6) nach 4 gezeigt ist, kompensiert wird. In diesem Fall entspricht die Widerstandserhöhung der Magnetfeldsensoren 4 bei antiparalleler Ausrichtung zwischen zu erfassendem Magnetfeld und der Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht auf dem einen Halbkreis gleich der Widerstandserniedrigung bei paralleler Ausrichtung Magnetfeld und Magnetisierungsrichtung auf dem anderen Halbkreis.
Um diese spezielle Referenzschichtmagnetisierung 9 zu erzielen, kann eine geeignete hier nicht gezeigte Spulenanordnung vorgesehen werden, die ein radiales Magnetfeld über dem durch die Magnetfeldsensoren 4 und 5 gebildeten GMR-Kreiswiderstand erzeugt. Alternativ kann nach der Formierung des GMR-Schichtsystems mit den Magnetfeldsensoren 4 und 5 im Halbleiterchip 2 ein Einschreiben der Referenzmagnetisie rung durch lokales Erhitzen mittels eines Laserstrahls in einem äußeren Feld erfolgen. Dabei wird entweder der Halbleiterchip 2 in einem konstanten, homogenen Feld gedreht oder das Feld gedreht und der Laserstrahl synchron über den Kreiswiderstand gedreht.
Die eigentliche Messung der Größen des Magnetfeldes kann dann durch eine Brückenschaltung der Magnetfeldsensoren 4 und 5 (zum Beispiel GMR-Widerstände) realisiert werden. Wie in 5 gezeigt, sind mindestens zwei Magnetfeldsensoren 4 notwendig, um einen Messeffekt zu erzielen. Diese müssen gemäß der 2 und 3 nahe am Rand des Flusskonzentrators 1 platziert werden. Die zwei übrigen Widerstände 7 und 8 können normale ohmsche Widerstände sein, deren Widerstandswerte auf die Magnetfeldsensoren 4 oder 5 abgestimmt sind.
Um eine optimale Widerstandsanpassung zu erhalten, empfiehlt sich jedoch anstelle der Widerstände 7 und 8 die Verwendung von zwei weiteren Magnetfeldsensoren 5, die dann allerdings vom Magnetfeld abgeschirmt werden müssen, und deswegen unterhalb des Flusskonzentrators 1 als innere Magnetfeldsensoren 5 platziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1436849 B1 [0006]
- EP 1182461 A2 [0007]
- EP 1860451 A1 [0008]

Claims

Magnetfeldsensoranordnung zur Messung von räumlichen Komponenten eines magnetischen Feldes, bei dem mit mindestens einem Magnetfeldsensor (4) unter Ausnutzung des XMR-Effekts einer magnetoresistiven Schichtstruktur eine weitere senkrechte oder nichtparallel zur Schichtstruktur vorhandene Komponente des zu erfassenden magnetischen Feldes dadurch detektierbar ist, dass mindestens ein Flusskonzentrator (1) derart über der Schichtstruktur angeordnet ist, dass die magnetischen Feldlinien (3) in den Randbereichen des Flusskonzentrators (1) so ablenkbar sind, dass hier die Feldlinien (3) eine horizontale Komponente des magnetischen Feldes ausbilden.
Magnetfeldsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetoresistiven Schichtstrukturen aus dünnen metallischen Schichten bestehen, die auf ein Substrat aufgebracht sind.
Magnetfeldsensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Halbleiterchip (2) ist.
Magnetfeldsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Magnetfeldsensoren (4) im Randbereich des Flusskonzentrators (2) angeordnet sind und mit zwei ohmschen Widerständen (7, 8) in einer Messbrückenschaltung verschaltet sind.
Magnetfeldsensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Magnetfeldsensoren (4) auf einem äußeren Kreis angeordnet sind und dass innenliegend unter dem scheibenförmigen Flusskonzentrator (1) anstelle der ohmschen Widerstände (7, 8) mindestens zwei weitere Magnetfeldsensoren (5) angeordnet sind.
Magnetfeldsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzschichtmagnetisierung (9) der magnetoresistiven Schichtstruktur so ausgerichtet ist, dass sie die äußere Begrenzung des Flusskonzentrators (1) senkrecht schneidet, vorzugsweise bei einem scheibenförmigen Flusskonzentrator (1) radial auf den Mittelpunkt des Flusskonzentrators (1) oder alternativ radial von ihm weg zeigt.
Magnetfeldsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (4, 5) AMR-Sensoren sind.
Magnetfeldsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (4, 5) GMR-Sensoren sind.
Magnetfeldsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (4, 5) TMR-Sensoren sind.
Magnetfeldsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit weiteren Magnetfeldsensoren weitere Raumkomponenten des magnetischen Feldes detektierbar sind.
Magnetfeldsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Flusskonzentratoren (1) weichmagnetische Flusskonzentratoren sind.
Magnetfeldsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzschichtmagnetisierung (9) dadurch erzielbar ist, dass mit einer Spulenanordnung ein radiales Magnetfeld über dem durch die Magnetfeldsensoren (4, 5) gebildeten Kreiswiderstand erzeugt wird.
Magnetfeldsensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzschichtmagnetisierung (9) dadurch erzielbar ist, dass nach einer Formierung der magnetoresistiven Schichten ein Einschreiben der Referenzmagnetisierung (9) durch lokales Erhitzen mittels eines Laserstrahls in einem äußeren Feld erfolgt, wobei entweder der Halbleiterchip (2) in einem konstanten, homogenen Feld gedreht oder das Feld gedreht und der Laserstrahl synchron über den Kreiswiderstand gedreht wird.
Verwendung einer Magnetfeldsensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoranordnung bei einer dreidimensionalen Erfassung von magnetischen Feldlinien, insbesondere bei Kompassanwendungen verwendet wird.