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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Sensor mit magnetoresistiven
Elementen mit jeweils einer Spin-Valve-Riesenmagnetowiderstandsschicht
sowie eine Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Magnetische
Sensoren mit magnetoresistiven Elementen zum kontaktlosen Erfassen
der Änderung eines Drehwinkels usw. müssen eine
hohe Empfindlichkeit für rotierende magnetische Felder
aufweisen. Bei hochempfindlichen magnetoresistiven Elementen umfaßt
eine Spin-Valve-Riesenmagnetowiderstandsschicht (SVGMR-Schicht)
eine fixierte Lage mit magnetischer Anisotropie (im folgenden einfach ”fixierte
Lage” genannt), eine nichtmagnetische Zwischenlage auf
der fixierten Lage zur magnetischen Entkopplung und eine freie Lage
auf der nichtmagnetischen Zwischenschicht, deren Magnetisierungsrichtung
durch ein äußeres magnetisches Feld in eine beliebige
Richtung gedreht werden kann. Eine Wheatstone-Brückenschaltung
mit Elementen, die jeweils eine solche SVGMR-Schicht enthalten,
ergibt einen magnetischen Sensor, dessen Ausgangsspannung von der
Richtung des äußeren Magnetfelds abhängt.
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Bei
einem Drehwinkelsensor, der von einer Anzahl von SVGMR-Elementen
gebildet wird, erhöht die Ungleichmäßigkeit
der magnetischen Eigenschaften der einzelnen SVGMR-Elemente wie
des magnetischen Koppelfelds H
int zwischen
den einzelnen Lagen, des anisotropen Magnetfelds H
k usw.
den Winkelfehler (den Fehler in dem vom Drehwinkelsensor ausgegebenen
Drehwinkel). Die
JP-2001-159542
A beschreibt einen Drehwinkelsensor, bei dem vier Elemente,
die aus dem gleichen Wafer ausgeschnitten werden, unter Bildung einer
Brückenschaltung mit einander verbunden werden. Bei diesem
Drehwinkelsensor wird jedoch die Ungleichmäßigkeit
auf der Waferebene nicht beseitigt. Das SVGMR-Element wird im folgenden
manchmal einfach als ”Element” bezeichnet.
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Die
JP 2003-502876 A beschreibt
ein Verfahren zum Ausbilden eines Elements mit einer Anzahl von unterschiedlichen
magnetischen Erfassungsrichtungen auf dem gleichen Wafer. Bei diesem
Verfahren wird, nachdem ein gewünschtes Muster ausgebildet
wurde, an das Element ein äußeres magnetisches
Feld angelegt, während es lokal durch eine Heizvorrichtung
aufgeheizt wird. Dadurch wird die fixierte Schicht in der gewünschten
Richtung magnetisiert. Die
37 und
38 zeigen
den Aufbau der mit diesem Verfahren erhaltenen Elemente. Wie in
der
38 vergrößert dargestellt, gibt
es Elemente mit in der Richtung des Pfeiles
100 antiparallelen
Magnetisierungsrichtungen, es gibt jedoch keine Elemente, deren
fixierte Lagen antiparallele Magnetisierungsrichtungen in der Richtung
des Pfeiles
100' aufweisen, die senkrecht zu der Richtung
des Pfeiles
100 verläuft. Eine Brückenschaltung
mit einer solchen Anordnung von Elementen ergibt nur ein einphasiges
Ausgangssignal, so daß kein volles Brücken-Ausgangssignal
erhalten wird. Eine Anordnung von Elementen mit einem Winkel von
90° zwischen den Elementen ergibt auch keine Ausgangssignale
mit kleinem Winkelfehler und geringer Verzerrung.
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Um
den Stromverbrauch zu verringern und die Wärmeerzeugung
herabzusetzen, weisen die Elemente vorzugsweise eine längliche
Form auf, damit der Widerstand größer ist. Elemente
mit einer solchen Form weisen jedoch eine nicht vernachlässigbare
forminduzierte Anisotropie auf, wodurch die freie Lage in der SVGMR-Schicht
einen großen anisotropen Magnetowiderstandseffekt (AMR-Effekt)
erzeugt, der den Winkelfehler vergrößert. Bei
der
JP 2005-024287
A werden deshalb die Elemente in einem Muster miteinander
verbunden, bei dem die Längsrichtungen der Elemente senkrecht
zueinander stehen, um den AMR-Effekt aufzuheben. In dem
japanischen Patent 3587678 wird
ein halbkreisförmiges oder spiraliges Muster mit verringertem H
k vorgeschlagen. Bei diesen Anordnungen wird
jedoch nur der AMR-Effekt aufgehoben bzw. das H
k herabgesetzt,
es werden jedoch nicht die Ungleichmäßigkeiten
in den GMR-Eigenschaften beseitigt, um den Winkelfehler zu verringern.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen magnetischen Sensor
mit einem geringeren Winkelfehler aufgrund der herstellungsbedingten
Abweichungen in der SVGMR-Schicht zu schaffen. Auch soll eine Vorrichtung
zur Erfassung von Drehwinkeln mit einem solchen magnetischen Sensor
geschaffen werden.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Der
magnetische Sensor der vorliegenden Erfindung umfaßt eine
Brückenschaltung, bei der vier magnetoresistive Elemente
miteinander verbunden sind,
wobei die magnetoresistiven Elemente
jeweils eine Spin-Valve-Riesenmagnetowiderstandsschicht mit einer
fixierten Lage mit einer unidirektionalen magnetischen Anisotropie,
mit einer freien Lage, deren Magnetisierungsrichtung sich in Ausrichtung
zu der Richtung eines äußeren Magnetfelds dreht,
und mit einer Zwischenlage zwischen der fixierten Lage und der freien
Lage umfassen,
wobei wenigstens eines der magnetoresistiven
Elemente die Bedingung 36° ≤ θ < 45° erfüllt,
wobei θ der spitze Winkel zwischen der Längsrichtung
des Elements und der Magnetisierungsrichtung der fixierten Lage
ist.
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Der
magnetische Sensor der vorliegenden Erfindung umfaßt vorzugsweise
eine Kombination von zwei der obigen Brückenschaltungen,
wobei die Längsrichtung eines magnetoresistiven Elements
in der einen Brückenschaltung senkrecht zu der Längsrichtung
eines magnetoresistiven Elements in der anderen Brückenschaltung
verläuft.
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Von
den vier magnetoresistiven Elementen sind vorzugsweise zwei magnetoresistive
Elemente um den spitzen Winkel θ gegen die Magnetisierungsrichtung
der fixierten Lage geneigt, und die beiden anderen magnetoresistiven
Elemente sind um den spitzen Winkel –θ gegen die
Magnetisierungsrichtung der fixierten Lage geneigt.
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Bei
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen
die beiden magnetoresistiven Elemente einer Halbbrücke
fixierte Lagen mit antiparallelen Magnetisierungsrichtungen, wobei
in jeder Halbbrücke das eine Element um den Winkel θ und
das andere Element um den Winkel –θ gegen die
Magnetisierungsrichtung der fixierten Lage geneigt ist. Das heißt,
daß die magnetoresistiven Elemente, deren fixierte Lagen die
gleiche Magnetisierungsrichtung aufweisen, zueinander parallel angeordnet
sind.
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Bei
einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
umfassen die beiden magnetoresistiven Elemente einer Halbbrücke
fixierte Lagen mit antiparallelen Magnetisierungsrichtungen, wobei
die beiden magnetoresistiven Elemente in der einen Halbbrücke
um den Winkel θ und die beiden magnetoresistiven Elemente
in der anderen Halbbrücke um den Winkel –θ gegen
die Magnetisierungsrichtung der fixierten Lage geneigt sind. Das
heißt, daß die magnetoresistiven Elemente, deren
fixierte Lagen die gleiche Magnetisierungsrichtung aufweisen, nicht
parallel angeordnet sind. Mit einer solchen Anordnung wird die forminduzierte
Anisotropie aufgehoben und dadurch deren Einfluß auf den
Winkelfehler beseitigt.
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Die
magnetoresistiven Elemente weisen jeweils vorzugsweise (a) die Form
einer gefalteten geraden Linie, (b) eine Form aus einer Anzahl von
miteinander verbundenen und in Längsrichtung gefalteten
Halbkreisen oder (c) eine Form aus einer Anzahl von miteinander
verbunden und in Längsrichtung gefalteten sowie mit Aussparungen
versehenen Kreisen oder Polygonen auf.
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Das
Austauschkoppelfeld Hint zwischen der fixierten
Lage und der freien Lage in der Spin-Valve-Riesenmagnetowider standsschicht
erfüllt vorzugsweise die Bedingung –0,4 kA/m ≤ Hint ≤ +0,4 kA/m.
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Ein
erster magnetischer Sensor der vorliegenden Erfindung umfaßt
eine Brückenschaltung X mit ersten bis vierten magnetoresistiven
Elementen und eine Brückenschaltung Y mit fünften
bis achten magnetoresistiven Elementen,
wobei die magnetoresistiven
Elemente jeweils eine Spin-Valve-Riesenmagnetowiderstandsschicht
mit einer fixierten Lage mit einer unidirektionalen magnetischen
Anisotropie, mit einer freien Lage, deren Magnetisierungsrichtung
sich in Ausrichtung zu der Richtung eines äußeren
Magnetfelds dreht, und mit einer Zwischenlage zwischen der fixierten
Lage und der freien Lage umfassen,
wobei der Winkel zwischen
der Längsrichtung eines jeden Elements und der Magnetisierungsrichtung
der fixierten Lage jeweils die folgende Bedingung erfüllt:
der
Winkel des ersten Elements = der Winkel des dritten Elements,
der
Winkel des zweiten Elements = der Winkel des vierten Elements,
der
Winkel des ersten Elements = –(der Winkel des zweiten Elements),
der
Winkel des fünften Elements = der Winkel des siebten Elements,
der
Winkel des sechsten Elements = der Winkel des achten Elements,
der
Winkel des fünften Elements = –(der Winkel des
sechsten Elements),
und wobei wenigstens eines der magnetoresistiven
Elemente die Bedingung 37° ≤ θ ≤ 44° erfüllt,
wobei θ der spitze Winkel zwischen der Längsrichtung
des Elements und der Magnetisierungsrichtung der fixierten Lage ist.
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Ein
zweiter magnetischer Sensor der vorliegenden Erfindung umfaßt
eine Brückenschaltung X mit ersten bis vierten magnetoresistiven
Elementen und eine Brückenschaltung Y mit fünften
bis achten magnetoresistiven Elementen,
wobei die magnetoresistiven
Elemente jeweils eine Spin-Valve-Riesenmagnetowiderstandsschicht
mit einer fixierten Lage mit einer unidirektionalen magnetischen
Anisotropie, mit einer freien Lage, deren Magnetisierungsrichtung
sich in Ausrichtung zu der Richtung eines äußeren
Magnetfelds dreht, und mit einer Zwischenlage zwischen der fixierten
Lage und der freien Lage umfassen,
wobei der Winkel zwischen
der Längsrichtung eines jeden Elements und der Magnetisierungsrichtung
der fixierten Lage jeweils die folgende Bedingung erfüllt:
der
Winkel des ersten Elements = der Winkel des vierten Elements,
der
Winkel des zweiten Elements = der Winkel des dritten Elements,
der
Winkel des ersten Elements = –(der Winkel des zweiten Elements),
der
Winkel des fünften Elements = der Winkel des achten Elements,
der
Winkel des sechsten Elements = der Winkel des siebten Elements,
der
Winkel des fünften Elements = –(der Winkel des
sechsten Elements),
und wobei wenigstens eines der magnetoresistiven
Elemente die Bedingung 39° ≤ θ ≤ 44° erfüllt,
wobei θ der spitze Winkel zwischen der Längsrichtung
des Elements und der Magnetisierungsrichtung der fixierten Lage ist.
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Bei
dem ersten und bei dem zweiten magnetischen Sensor verläuft
die Längsrichtung der einzelnen Elemente in der Brückenschaltung
X vorzugsweise jeweils senkrecht zur Längsrichtung des
entsprechenden Elements in der Brückenschaltung Y.
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Die
Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung umfaßt
den obigen magnetischen Sensor und einen Ma gneten zum Anlegen eines
Magnetfeldes an den magnetischen Sensor.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Schnittansicht eines Beispiels für den Aufbau der
Lagen einer magnetoresistiven Schicht.
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2 ist
eine Schnittansicht eines anderen Beispiels für den Aufbau
der Lagen einer magnetoresistiven Schicht.
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3 ist
eine schematische Darstellung der von einem magnetoresistiven Element
aufgenommenen Energie.
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4 ist
eine schematische Darstellung von magnetoresistiven Elementen, einem,
das von einer geraden Linie gebildet wird, und einem anderen, das
von einer gefalteten geraden Linie gebildet wird.
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5 ist
eine schematische Darstellung von magnetoresistiven Elementen, die
jeweils durch die Verbindung einer Anzahl von Kreisen gebildet werden.
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6 ist
eine schematische Darstellung von magnetoresistiven Elementen, die
jeweils durch die Verbindung einer Anzahl von Kreisen gebildet werden,
die Aussparungen aufweisen.
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7 ist
eine schematische Darstellung eines Beispiels für magnetoresistive
Elemente, die jeweils durch die Verbindung einer Anzahl von Halbkreisen
gebildet werden.
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8 ist
eine schematische Darstellung eines anderen Beispiels für
magnetoresistive Elemente, die jeweils durch die Verbindung einer
Anzahl von Halbkreisen gebildet werden.
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9 ist
eine schematische Darstellung von magnetoresistiven Elementen, die
jeweils durch die Verbindung einer Anzahl von Sechsecken gebildet
werden, die Aussparungen aufweisen.
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10 ist
eine Ansicht von Schaltungen für magnetische Sensoren,
die jeweils durch eine Verbindung von magnetoresistiven Elementen
in Brückenform gebildet werden.
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11 ist
eine schematische Darstellung der Anordnung von magnetoresistiven
Elementen bei einem magnetischen Sensor gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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12 ist
eine schematische Darstellung der Anordnung von magnetoresistiven
Elementen bei einem magnetischen Sensor gemäß einer
anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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13 ist
eine graphische Darstellung der Änderung von Δθerr in Abhängigkeit von θdip bei einem magnetoresistiven Element.
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14 ist
eine graphische Darstellung der Änderung von θerr in Abhängigkeit von θapp bei den magnetoresistiven Elementen von
Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1.
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15 ist
eine graphische Darstellung der Änderung von θerr in Abhängigkeit von θapp bei den magnetoresistiven Elementen von
Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2.
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16 ist
eine graphische Darstellung der Änderung von θerr in Abhängigkeit von θapp bei den magnetoresistiven Elementen der
Vergleichsbeispiele 1 und 3.
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17 ist
eine graphische Darstellung der durch eine Analyse von θerr bestimmten Anteile der harmonischen Komponenten
bei den magnetoresistiven Elementen von Beispiel 1 und von den Vergleichsbeispielen 1
bis 3.
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18 ist
eine graphische Darstellung der durch eine Analyse von θerr bestimmten Amplitude der harmonischen
Komponenten bei den magnetoresistiven Elementen von Beispiel 1 und
von den Vergleichsbeispielen 1 bis 3.
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19 ist
eine graphische Darstellung der Änderung von Δθerr in Abhängigkeit von θdip bei einem magnetoresistiven Element.
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20 ist
eine graphische Darstellung der Änderung von Δθerr in Abhängigkeit von θdip bei einem magnetoresistiven Element.
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21 ist
eine graphische Darstellung der Änderung von Δθerr in Abhängigkeit von θdip bei einem magnetoresistiven Element mit
dem AMR-Effekt und ohne den AMR-Effekt.
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22 ist
eine graphische Darstellung der Änderung von Δθerr in Abhängigkeit von θdip bei einem magnetoresistiven Element in
einer Brückenschaltung mit magnetoresistiven Elementen,
deren fixierte Lagen parallele Magnetisierungsrichtungen aufweisen.
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23 ist
eine graphische Darstellung der durch eine Analyse von θerr bestimmten harmonischen Komponenten bei
den magnetoresistiven Elementen der Vergleichsbeispiele 4 bis 6.
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24 ist
eine graphische Darstellung der durch eine Analyse von θerr bestimmten harmonischen Komponenten bei
den magnetoresistiven Elementen von Beispiel 2 und von Vergleichsbeispiel
7.
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25 ist
eine graphische Darstellung der durch eine Analyse von θerr bestimmten harmonischen Komponenten bei
den magnetoresistiven Elementen der Vergleichsbeispiele 5 und 7.
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26 ist
eine graphische Darstellung der Änderung von Δθerr in Abhängigkeit von Hint bei einem magnetoresistiven Element.
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27 ist
eine Seitenansicht einer Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung.
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28 ist
eine schematische Ansicht eines Beispiels für eine Anordnung
von Brückenschaltungen mit magnetoresistiven Elementen.
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29 ist
eine schematische Ansicht eines Beispiels für eine Anordnung
von Brückenschaltungen mit magnetoresistiven Elementen
mit einer Darstellung der Magnetisierungsrichtung der fixierten
Lagen.
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30 ist
eine schematische Ansicht eines anderen Beispiels für eine
Anordnung von Brückenschaltungen mit magnetoresistiven
Elementen.
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31 ist
eine schematische Ansicht eines weiteren Beispiels für
eine Anordnung von Brückenschaltungen mit magnetoresistiven
Elementen.
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32 ist
eine schematische Ansicht eines weiteren Beispiels für
eine Anordnung von Brückenschaltungen mit magnetoresistiven
Elementen.
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33 ist
eine schematische Ansicht eines weiteren Beispiels für
eine Anordnung von Brückenschaltungen mit magnetoresistiven
Elementen.
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34 ist
eine schematische Ansicht eines weiteren Beispiels für
eine Anordnung von Brückenschaltungen mit magnetoresistiven
Elementen.
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35 ist
eine schematische Ansicht eines weiteren Beispiels für
eine Anordnung von Brückenschaltungen mit magnetoresistiven
Elementen.
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36 ist
eine schematische Ansicht eines weiteren Beispiels für
eine Anordnung von Brückenschaltungen mit magnetoresistiven
Elementen.
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37 ist
eine schematische Ansicht der in der
JP 2003-502876 A beschriebenen
Anordnung von magnetoresistiven Elementen.
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38 ist
eine Ansicht eines Teils der Anordnung von magnetoresistiven Elementen
der 37.
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BESCHREIBUNG DER BESTEN ART DER ERFINDUNGSAUSFÜHRUNG
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Die 1 zeigt
schematisch ein Beispiel für die bei der vorliegenden Erfindung
verwendeten SVGMR-Schichten. In der Darstellung ist die Dicke einiger
Lagen übertrieben. Das Beispiel für die SVGMR-Schicht
umfaßt eine Grundierung 11, eine fixierte Lage 12,
eine Zwischenlage 13, eine freie Lage 14 und eine
Schutzschicht 15, die in dieser Reihenfolge auf einem Substrat 10 ausgebildet
werden. Die fixierte Lage 12 ist ein Laminat aus einer
antiferromagnetischen Lage 121, einer ersten ferromagnetischen
Lage 122, einer Antiparallel-Kopplungslage 123 und
einer zweiten ferromagnetischen Lage 124. Die freie Lage 14 ist
ein Laminat aus zwei oder mehr ferromagnetischen Lagen 141, 142.
Die fixierte Lage 12 weist in einer Richtung eine unidirektionale
magnetische Anisotropie auf, und ihr elektrischer Widerstand ändert
sich in Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung der
freien Lage, die von einem externen magnetischen Feld gedreht wird.
Die Richtung der magnetischen Anisotropie der fixierten Lage wird ”Magnetisierungsrichtung
der fixierten Lage” genannt.
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Wie
in der
2 gezeigt, weist eine sogenannte ”selbstfixierende” SVGMR-Schicht
einen Aufbau der Lagen auf, der dadurch erhalten wird, daß bei
der SVGMR-Schicht der
1 die antiferromagnetische Lage
121 weggelassen
wird. In der selbstfixierenden SVGMR-Schicht wird die unidirektionale
magnetische Anisotropie der fixierten Lage durch die Zwischenlagen-Austauschkopplung
zwischen den ferromagnetischen Lagen
122 und
124 erzeugt.
Die SVGMR-Schicht der
2 ist im
japanischen Patent 3033934 und in
der
JP 2004-296000
A beschrieben. Bei der SVGMR-Schicht der
2 ist
zur Magnetisierung der fixierten Lage keine Wärmebehandlung
erforderlich, und die Richtung der Anisotropie der fixierten Lage
kann während des Schichtausbildungsprozesses beliebig festgelegt
werden. Die Magnetisierungsrichtung der fixierten Lage kann durch
die Richtung eines Magnetfeldes festgelegt werden, zum Beispiel
durch Anlegen eines Magnetfeldes während der Ausbildung
der ferromagnetischen Lagen
122 und
124. Das Aufeinanderlegen
von vier SVGMR-Schichten, deren fixierte Lagen verschiedene Magnetisierungsrichtungen
aufweisen, mit Isolierlagen dazwischen ergibt einen Wafer mit SVGMR-Elementen,
deren fixierte Lagen vier Magnetisierungsrichtungen umfassen.
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Die 3 zeigt
schematisch die magnetische Energie in einem SVGMR-Element aus SVGMR-Schichten
mit vorgegebenen Formen. θM bezeichnet
die Magnetisierungsrichtung des Elements, θdip die
Richtung der forminduzierten Anisotropie und θfree die
Richtung der freien Lage. Jede Richtung wird durch den Winkel zur
Bezugsachse ausgedrückt. Da die Richtung θM des effektiven Magnetfeldes M, das durch
Anlegen eines externen Magnet feldes Happ an
das Element erzeugt wird, nicht nur von der forminduzierten Anisotropie
Hkd des Elements, sondern auch von Hk, Hint usw. beeinflußt
wird, die variabel von der Art der SVGMR-Schicht abhängen,
unterscheidet sie sich von der Richtung θapp von
Happ.
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Das
SVGMR-Element unterliegt der magnetischen Energie Etotal,
die durch die folgende Formel (1) ausgedrückt wird: Etotal = Ekd +
Ek + Eex + Ez (1),wobei
Ekd die Energie der forminduzierten magnetischen
Anisotropie des Elements, Ek die Energie
der intrinsischen magnetischen Anisotropie der freien Lage, Eex die Energie der Zwischenlagen-Austauschkopplung
der SVGMR-Schicht und Ez die Zeeman-Energie
der SVGMR-Schicht bezeichnet. Diese Energien werden durch die folgenden
Gleichungen (2) bis (5) ausgedrückt: Ekd = Kudsin2 (θM – θdip) (2) Ek = Kusin2 (θM – θfree) (3) Eex = –Hint·Mscos(θM – θfree) (4) Ez = –Happ·Mscos(θapp – θM) (5).
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Ms bezeichnet die Magnetisierung der freien
Lage. Die magnetischen Anisotropiekonstanten Ku und Kud werden durch die folgenden Gleichungen
(6) und (7) ausgedrückt: Ku = (Hk·Ms)/2 (6) Kud = (Hkd·Ms)/2 (7).
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Die
Richtung θ
M von M wird erhalten,
wenn E
total minimal ist. Mit diesem θ
M läßt sich der Widerstand
R des SVGMR-Elements durch die folgende Gleichung (8) ausdrücken:
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Der
erste Term der Gleichung (8) gibt die Widerstandsänderung
aufgrund des GMR-Effekts an und der zweite Term die Widerstandsänderung
aufgrund des AMR-Effekts. Rmin bezeichnet
den minimalen Widerstand des Elements. dR gibt die Widerstandsänderung
durch den GMR-Effekt an und dR' die Widerstandsänderung durch
den AMR-Effekt.
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Die
Richtung θdip der forminduzierten
Anisotropie, die von der Form des SVGMR-Elements bestimmt wird,
stimmt mit der Längsrichtung des Elements überein.
Zum Beispiel stimmt bei einem SVGMR-Element 221 aus einer
geraden Linie in der Form eines Rechtecks mit einem großen
Seitenverhältnis oder bei einem Element 231 aus
einer gefalteten geraden Linie, wie es in der 4 dargestellt
ist, die Ausrichtung von θdip mit der
Richtung 222 des zwischen den Anschlüssen 223, 223' fließenden
Stroms (der Längsrichtung des Elements) überein.
Im Fall der SVGMR-Elemente 241, 251, die wie in
der 5 gezeigt aus miteinander verbundenen Kreisen
bestehen, stimmt die Ausrichtung von θdip mit
der Richtung 222 des zwischen den Anschlüssen 223, 223' fließenden
Stroms (der Längsrichtung der Elemente) überein.
Auch im Falle der SVGMR-Elemente 261, 271, 281, 291, 301, 311, 321, 331,
die jeweils aus einer Verbindung einer Anzahl von Kreisen, Halbkreisen oder
Polygonen mit Aussparungen bestehen, wie es in den 6 bis 9 gezeigt
ist, stimmt die Ausrichtung von θdip jeweils
mit der Richtung 222 des Stromes (der Längsrichtung
des Elements) überein.
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Die
10 zeigt
die Äquivalenzschaltung eines magnetischen Sensors mit
in Brückenform verbundenen SVGMR-Elementen. Die Magnetisierungsrichtung
der fixierten Lage jedes Elements ist dabei jeweils durch einen
Pfeil angegeben. Die Magnetisierungsrichtung der fixierten Lage
ist jeweils bei den Elementen
21a und
21c, den
Elementen
21b und
21d, den Elementen
31a und
31c und
den Elementen
31b und
31d dieselbe. Bei den Elementen
21a und
21b,
den Elementen
31a und
31b und den Elementen
21a und
31a mit
senkrechten Magnetisierungsrichtungen der fixierten Lagen sind die
Magnetisierungsrichtungen der fixierten Lagen antiparallel (180°,
Gegenrichtung). Die Elemente
21a bis
21d bilden
eine Brückenschaltung X und die Ele mente
31a bis
31d eine
Brückenschaltung Y. Bei einer wirklichen Brückenschaltung
ist die Anordnung der Elemente
21a und
31a, der
Elemente
21b und
31b, der Elemente
21c und
31c und
der Elemente
21d und
31d senkrecht zueinander.
Wenn nicht anders angegeben, bezeichnet der Winkel zwischen einem
Element und der Magnetisierungsrichtung einer fixierten Lage den
Winkel zwischen der Längsrichtung des Elements und der
Magnetisierungsrichtung der fixierten Lage. Die Spannungen Vx1,
Vx2, Vy1 und Vy2 an den Ausgängen der Brückenschaltungen
werden durch die folgenden Gleichungen (9) bis (12) angegeben:
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Die
Ausgangsspannung Vx wird aus Vx1–Vx2 erhalten und die Ausgangsspannung Vy aus Vy1–Vy2. Vx und Vy weisen im wesentlichen eine sinusoidale
Wellenform auf. Der Unterschied zwischen dem durch eine Arkustangensberechnung
aus Vx und Vy erhaltenen
Winkel θcalc und dem Winkel θapp von Happ relativ
zur Bezugsachse ist der Winkelfehler θerr des
magnetischen Sensors.
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Ausführungsform 1
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Winkelfehler eines magnetischen Sensors
mit einer parallelen Anordnung der Elemente
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Die 11 zeigt
einen magnetischen Sensor mit Brückenschaltungen X und
Y, die von SVGMR-Elementen gebildet werden. Bei der Brückenschaltung
X sind vier rechteckige SVGMR-Elemente 201a bis 201d auf
einem Substrat ausgebildet, wobei die Elemente 201b und 201c mit
einem Stromversorgungsanschluß Vcc, die Elemente 201a und 201d mit
einem Masseanschluß GND, die Elemente 201a und 201b mit
dem einem Ausgangsanschluß Vx1 und die Elemente 201c und 201d mit
dem anderen Ausgangsanschluß Vx2 verbunden sind. Die Längsrichtungen
der Elemente 201a bis 201d sind bezüglich
der Achse 202, die zu den durch dicke Pfeile angezeigten
Magnetisierungsrichtungen der fixierten Lagen parallel ist, um die
Winkel θdip-R1 bis θdip-R4 geneigt. Bei der Brückenschaltung
Y sind vier rechteckige SVGMR-Elemente 203a bis 203d jeweils senkrecht
zu dem entsprechenden Element 201a bis 201d der
Brückenschaltung X auf einem Substrat ausgebildet. Die
Magnetisierungsrichtung der fixierten Lage jedes Elements verläuft
parallel zu der Achse 204, die senkrecht auf der Achse 202 steht.
Die Längsrichtungen der Elemente sind dazu um die Winkel θdip-R5 bis θdip-R8 geneigt.
Bei dem magnetischen Sensor der 11 verlaufen
die Längsrichtungen der Elemente, deren fixierte Lagen
die gleiche Magnetisierungsrichtung aufweisen, zueinander parallel.
Der Winkel θdip eines jeden der
Elemente 201a bis 201d und 203a bis 203d erfüllt
jeweils die folgende Beziehung:
θdip-R1 des
Elements 201a = θdip-R3 des
Elements 201c,
θdip-R2 des
Elements 201b = θdip-R4 des
Elements 201d,
θdip-R1 = –θdip-R2,
θdip-R5 des
Elements 203a = θdip-R7 des
Elements 203c,
θdip-R6 des
Elements 203b = θdip-R8 des
Elements 203d, und
θdip-R5 = –θdip-R6.
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Unter
der Annahme, daß die Richtung nach rechts bei der Brückenschaltung
X 0° entspricht und die Richtung nach oben bei der Brückenschaltung
Y auch 0°, wurde der Winkel θdip für
jedes Element 201a bis 201d, 203a bis 203d wie
in der Tabelle 1 angegeben geändert (ein Winkel im Gegenuhrzeigersinn
wird durch ein ”+” ausgedrückt), um die
Abhängigkeit der Schwankungsbreite von θerr (Δθerr)
für θdip-R1 durch eine
Simulation zu bestimmen. Δθerr ist
ein Wert, der durch Subtraktion des minimalen θerr vom maximalen θerr bei
einem von 0° auf 360° geänderten θapp erhalten wird. Es wird bei dieser Simulation
angenommen, daß Ms = 800 emu/cc
ist, Hk = 0,16 kA/m, Hkd =
1,6 kA/m, Happ = 24 kA/m, daß der
Winkel zwischen θfree und der Magnetisierungsrichtung
der fixierten Lage in jedem SVGMR-Element 90° ist, und
daß dR/R (Bezeichnung des GMR-Verhältnisses) =
10% und dR' = 0 ist, so daß der AMR-Effekt vernachlässigt
wird. Die Ergebnisse sind in der 13 dargestellt.
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Je
größer Δθ
err ist,
um so größer ist der Winkelfehler des magnetischen
Sensors. Tabelle 1
| Bedingung | θdip
(°) der Elemente |
| 201a, 201c | 201b, 201d | 203a, 203c | 203b, 203d |
| 1-1(1) | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1-2 | +5 | –5 | +5 | –5 |
| 1-3 | +30 | –30 | +30 | –30 |
| 1-4(2) | +40 | –40 | +40 | –40 |
| 1-5(3) | +45 | –45 | +45 | –45 |
| 1-6 | +85 | –85 | +85 | –85 |
| 1-7(4) | +90 | –90 | +90 | –90 |
| 1-8 | +95
(–85) | –95
(+85) | +95
(–85) | –95
(+85) |
| 1-9 | +140
(–40) | –140
(+40) | +140
(–40) | –140
(+40) |
| 1-10 | +175
(–5) | –175
(+5) | +175
(–5) | –175
(+5) |
| 1-11 | 180
(0) | 180
(0) | 180
(0) | 180
(0) |
-
Anmerkungen:
-
- (1) Vergleichsbeispiel 1
- (2) Beispiel 1
- (3) Vergleichsbeispiel 2
- (4) Vergleichsbeispiel 3
-
In
der folgenden Tabelle 2 ist die Schwankungsbreite Δθ
err für einen Winkel θ
dip-R1 des Elements
201a von 35° bis
45° angegeben. Wenn der Anordnungswinkel θ
dip-R1 des Elements
201a 40° und
140° (oder –40°) beträgt (Bedingungen
1-4 und 1-9), ist Δθ
err minimal
und gleich 0,076°. Wenn der Anordnungswinkel θ
dip-R1 des Elements
201a 140° (oder –40°)
beträgt, weist das dazugehörende Element
201b der
Halbbrücke innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung
einen Anordnungswinkel θ
dip-R2 von –140° (oder
+40°) auf. Tabelle 2
| θdip-R1 | Δθerr (°) |
| 35 | 0,4101 |
| 36 | 0,3438 |
| 37 | 0,2771 |
| 38 | 0,2102 |
| 39 | 0,1432 |
| 40 | 0,0762 |
| 41 | 0,1088 |
| 42 | 0,1763 |
| 43 | 0,2433 |
| 44 | 0,3099 |
| 45 | 0,3760 |
-
Unter
der Bedingung 1-1 ist Δθerr etwa
gleich 1,8°. θerr hängt
damit im wesentlichen von θdip ab,
mit der Folge, daß der Winkelfehler sich in Abhängigkeit
von der Anordnung der Elemente drastisch ändert. Aus der Tabelle
2 ist ersichtlich, daß mit der Brückenschaltung
der vorliegenden Erfindung, bei der der Anordnungswinkel θdip der Elemente im Bereich von 36° bis
45° liegt, ein kleinerer Winkelfehler erhalten wird als
bei der herkömmlichen Brückenschaltung, bei der
der Anordnungswinkel θdip 45° beträgt.
Bei einem magnetischen Sensor, bei dem die Elemente, deren fixierte
Lagen die gleiche Magne tisierungsrichtung besitzen, parallel angeordnet
sind, liegt θdip vorzugsweise im
Bereich von 37° bis 44° und besser noch im Bereich
von 39° bis 42°.
-
Die
Abhängigkeit von θ
err von θ
app wurde für die Bedingung 1-4
(Beispiel 1), die Bedingung 1-1 (Vergleichsbeispiel 1), die Bedingung
1-5 (Vergleichsbeispiel 2) und die Bedingung 1-7 (Vergleichsbeispiel
3) durch eine Simulation bestimmt. Die Ergebnisse sind in den
14 bis
16 dargestellt.
Die Bedingung 1-5 (Vergleichsbeispiel 2) entspricht der Elementanordnung,
die in der
JP 2003-502876
A und der
JP
2005-024287 A beschrieben sind. Das maximale θ
err betrug im Beispiel 1 etwa 0,04°,
während es in den Vergleichsbeispielen 1 und 3 etwa 0,9° und
im Vergleichsbeispiel 2 etwa 0,19° groß war. Zwischen
dem Beispiel 1 und dem Vergleichsbeispiel 2 ist trotz des kleinen
Unterschieds im θ
dip von nur 5° der
Unterschied im θ
err sehr groß.
Wegen der unterschiedlichen Beziehung zwischen θ
dip und der Magnetisierungsrichtung der fixierten
Lagen weisen die Vergleichsbeispiele 1 und 3 trotz der gleichen
Elementanordnung eine unterschiedliche Abhängigkeit des θ
err von θ
app auf.
Diese Ergebnisse zeigen, daß sich θ
err in
Abhängigkeit von der Beziehung zwischen θ
dip und der Magnetisierungsrichtung der fixierten
Lagen sehr stark ändert.
-
Um
diese Tendenz genauer zu untersuchen, wurden die harmonischen Komponenten
durch eine Fourierreihenentwicklung für θerr im Beispiel 1 und in den Vergleichsbeispielen
1 bis 3 analysiert, um die harmonischen Komponenten bis zur fünften
Harmonischen zu bestimmen. Da die erste und die zweite harmonische Komponente
viel kleiner sind als die harmonischen Komponenten höherer
Ordnung und von θdip nur wenig
abhängen, sind in den 17 und 18 nur
die dritte bis fünfte Harmonische dargestellt. Alle harmonischen Komponenten
sind im Beispiel 1 mit kleinem θerr extrem
klein, wobei die Amplitude für die dritte und die fünfte Harmonische
etwa 40% beträgt und für die vierte Harmonische
etwa 20%. Bei den Vergleichsbeispielen 1 bis 3 mit einem großen θerr ist die vierte Harmonische groß mit
einer Amplitude von etwa 80% für die vierte Harmonische
und einer Amplitude von jeweils etwa 10% für die dritte
und fünfte Harmonische. Bei den Vergleichsbeispielen 1
und 3, bei denen θdip senkrecht
oder parallel zu den Magnetisierungsrichtungen der fixierten Lagen ist,
ist die vierte Harmonische besonders groß. Es ist somit
klar, daß eine Verringerung der vierten Harmonischen erheblich
zu einer Verringerung von θerr beiträgt.
-
Mit
dem Term sin2θ in den Gleichungen
(2) und (3) für einen magnetischen Sensor aus SVGMR-Schichten
scheinen die Hauptursachen für die Erzeugung der vierten
Harmonischen die Elementform und die magnetische Anisotropie der
freien Lagen zu sein, das heißt Hkd und
Hk. Bei einem auf 1,6 kA/m festgehaltenen
Hkd wurde in einer Simulation die magnetische
Anisotropie Hk der freien Lage von 0,16
kA/m auf 3,2 kA/m geändert, um die Abhängigkeit
des Δθerr von θdip zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in
der 19 dargestellt. Kleinere Hk-Werte
führten zu einer geringeren Abhängigkeit des Δθerr von θdip.
Der Minimalwert von Δθerr blieb
unabhängig von Hk im wesentlichen
gleich (etwa 0,07° bis 0,3°), θdip lag beim Minimum von Δθerr im wesentlichen im Bereich von 30° bis
40°. Unter der Bedingung, daß Hk gleich
Hkd (= 1,6 kA/m) ist, war Δθerr bei θdip =
0° minimal, da sich Hk und Hkd gegenseitig aufheben.
-
Bei
einem auf 0,16 kA/m festgehaltenen Hk wurde
dann in einer Simulation Hkd von 0,16 kA/m
auf 3,2 kA/m geändert, um die Abhängigkeit des Δθerr von θdip zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in
der 20 dargestellt. Wie im Falle der Änderung
von Hk ergaben kleinere Werte von Hkd eine geringere Abhängigkeit des Δθerr von θdip,
und θdip lag beim Minimum von Δθerr im wesentlichen im Bereich von 30° bis
40°. Der Minimalwert von ∆θerr betrug
etwa 0,04° bis 0,13°. Unter der Bedingung Hkd = Hk war Δθerr bei θdip =
0° minimal. Es ist daher klar, daß eine Verringerung
von Hk und/oder Hkd den
Winkelfehler kleiner werden läßt.
-
Hk wird nur von dem Material bestimmt, das
für die freie Lage verwendet wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform
ist Hk gleich 0,16 kA/m (dem Hk von
NiFe, das allgemein für die freie Lage verwendet wird). Die
Verwendung eines Materials mit kleinerem Hk kann
die Koerzitivität usw. verändern. Hk kann
zum Beispiel makroskopisch durch die Verwendung einer laminierten
ferrimagnetischen freien Lage aus zwei ferromagnetischen Lagen und
einer nichtmagnetischen Lage dazwischen herabgesetzt werden. Eine
solche freie Lage weist jedoch eine große Dicke auf, so
daß der Verteilungsverlust ansteigt und die Empfindlichkeit
abnimmt. Da das SVGMR-Element eine begrenzte Länge hat,
ist es nicht leicht, das Hkd, das von der
Elementform abhängt, näher zu 0 zu bringen. Wenn
jedoch der Winkel zwischen θdip und
der Magnetisierungsrichtung der fixierten Lage im Bereich der vorliegenden
Erfindung liegt (wenn zum Beispiel θdip =
40° ist), kann eine Zunahme von θerr auch
bei einer Änderung des Hk aufgrund
von Ungleichmäßigkeiten in den Eigenschaften der SVGMR-Schicht
und einer Änderungen des Hkd aufgrund
der Elementform unterdrückt werden, so daß eine sehr
genaue Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung erhalten wird.
-
Ausführungsform 2
-
Winkelfehler eines magnetischen Sensors
mit einer nicht parallelen Elementanordnung
-
Um
den Stromverbrauch des magnetischen Sensors durch Erhöhen
des Widerstands der SVGMR-Elemente zu verringern, haben manche Elemente
eine Länge im Bereich von einigen zehn Mikrometern bis
hin zu einhundert Mikrometern. Durch solch lange Elemente wird die
forminduzierte Anisotropie der freien Lage in der SVGMR-Schicht
erhöht. In diesen Fällen beeinflußt der
AMR-Effekt den Winkelfehler des magnetischen Sensors direkt. Deshalb
wurde in einem magnetischen Sensor mit der in der 11 dargestellten
Anordnung der Elemente in einer Simulation der beiden Fälle,
daß der AMR-Effekt einmal berücksichtigt und einmal
vernachlässigt wird, das θdip-R1 wie
in der Ta belle 3 angegeben verändert, um Δθerr zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in
der 21 dargestellt. In der Tabelle 3 wird die Richtung
im Gegenuhrzeigersinn durch ein ”+” ausgedrückt.
-
In
der Gleichung (8) wurde auf der Basis des Dickenverhältnisses
der freien Lage zur SVGMR-Schicht und dem spezifischen Widerstand
einer NiFe-Schicht angenommen, daß der zum AMR-Effekt beitragende
Widerstand 7500 Ω beträgt und daß das
AMR-Verhältnis 0,3% beträgt, um so ein dR' von
22,5 Ω abzuleiten. Das Vergleichsbeispiel 5 weist die Elementanordnung
auf, die in der
JP
2003-502876 A und der
JP-2005-024287 A beschrieben ist. Tabelle 3
| Bedingung | θdip (°) der Elemente |
| 201a, 201c | 201b, 201d | 203a, 203c | 203b, 203d |
| 2-1( 1) | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2-2 | +5 | –5 | +5 | –5 |
| 2-3 | +30 | –30 | +30 | –30 |
| 2-4 | +40 | –40 | +40 | –40 |
| 2-5(2) | +45 | –45 | +45 | –45 |
| 2-6 | +85 | –85 | +85 | –85 |
| 2-7( 3 ) | +90 | –90 | +90 | –90 |
| 2-8 | +95
(–85) | –95
(+85) | +95
(–85) | –95
(+85) |
| 2-9 | +140
(–40) | –140
(+40) | +140
(–40) | –140
(+40) |
| 2-10 | +175
(–5) | –175
(+5) | +175
(–5) | –175
(+5) |
| 2-11 | 180
(0) | 180
(0) | 180
(0) | 180
(0) |
-
Anmerkungen:
-
- (1) Vergleichsbeispiel 4
- (2) Vergleichsbeispiel 5
- (3) Vergleichsbeispiel 6
-
Wenn
der AMR-Effekt berücksichtigt wird, war im Vergleichsbeispiel
4 (θdip = 0°) und im Vergleichsbeispiel
6 (θdip = 90°) Δθerr minimal und betrug etwa 2,6° und
im Vergleichs beispiel 5 (θdip =
45°) war Δθerr maximal mit
einem Wert von etwa 47°. Da bei jeder Elementanordnung
jedes Elementpaar (zum Beispiel 201a und 201c oder 201b und 201d)
in der gleichen Brücke entgegengesetzte Stromrichtungen
aufweist, hängt der Beitrag des AMR-Effekts zum Winkelfehler
von der Richtung des Erfassungsstroms und der Achse der leichten
Magnetisierung der freien Lage ab.
-
Die 12 zeigt
einen magnetischen Sensor, bei dem der AMR-Effekt wirkungsvoll unterdrückt
wird. In der 12 verlaufen die Magnetisierungsrichtungen
der fixierten Lagen in der Brückenschaltung X horizontal
und in der Brückenschaltung Y vertikal. In der Brückenschaltung
X enthalten die Elemente 211a und 211c fixierte
Lagen mit gleichen Magnetisierungsrichtungen, und auch die Elemente 211b und 211d enthalten
fixierte Lagen mit gleichen Magnetisierungsrichtungen. Das gleiche
gilt für die Brückenschaltung Y. In beiden Brückenschaltungen
verlaufen die Längsrichtungen der Elemente mit fixierten
Lagen mit gleichen Magnetisierungsrichtungen nicht parallel. Jedes
der Elemente 211a–d und 213a–d
hat eine rechteckige Form, wie es in der 11 dargestellt
ist.
-
Der
Winkel θdip der Elemente in der
Brückenschaltung X (Elemente 211a bis 211d)
und in der Brückenschaltung Y (Elemente 213a bis 213d)
erfüllt jeweils folgende Bedingung:
θdip-R1 des Elements 211a = θdip-R4 des Elements 211d,
θdip-R2 des Elements 211b = θdip-R3 des Elements 211c,
θdip-R1 = –θdip-R2,
θdip-R5 des Elements 213a = θdip-R8 des Elements 213d,
θdip-R6 des Elements 213b = θdip-R7 des Elements 213c, und
θdip-R5 = –θdip-R6.
-
Unter
der Annahme, daß die Richtung nach rechts in der Brückenschaltung
X 0° entspricht und die Richtung nach oben in der Brückenschaltung
Y auch 0°, wurde θ
dip für
jedes der Elemente
211a bis
211d und
213a bis
213d wie
in der Tabelle 4 angegeben geändert (ein Winkel im Uhrzeigersinn
wird durch ein ”+” ausgedrückt), um die
Abhängigkeit des Δθ
err von θ
dip durch eine Simulation mit einer Berücksichtigung
des AMR-Effekts zu bestimmen. Die Ergebnisse sind in der
22 dargestellt.
In der Tabelle 5 ist Δθ
err für
einen Anordnungswinkel θ
dip-R1 des
Elements
211a im Bereich von 35° bis 45° angegeben. Tabelle 4
| Bedingung | θdip (°) der Elemente |
| 211b, 211c | 211a, 211d | 213b, 213c | 213a, 213d |
| 3-1(1) | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 3-2 | +5 | –5 | +5 | –5 |
| 3-3 | +30 | –30 | +30 | –30 |
| 3-4( 2 ) | +40 | –40 | +40 | –40 |
| 3-5(3) | +45 | –45 | +45 | –45 |
| 3-6 | +85 | –85 | +85 | –85 |
| 3-7 | +90 | –90 | +90 | –90 |
| 3-8 | +95
(–85) | –95
(+85) | +95
(–85) | –95
(+85) |
| 3-9 | +140
(–40) | –140
(+40) | +140
(–40) | –140
(+40) |
| 3-10 | +175
(–5) | –175
(+5) | +175
(–5) | –175
(+5) |
| 3-11 | 180
(0) | 180
(0) | 180
(0) | 180
(0) |
-
Anmerkungen:
-
- (1) Vergleichsbeispiel 8
- (2) Beispiel 2
- (3) Vergleichsbeispiel 7
-
Tabelle 5
| θdip-R1 | Δθerr (°) |
| 35 | 0,6087 |
| 36 | 0,5139 |
| 37 | 0,4187 |
| 38 | 0,3232 |
| 39 | 0,2275 |
| 40 | 0,1317 |
| 41 | 0,0360 |
| 42 | 0,0595 |
| 43 | 0,1547 |
| 44 | 0,2494 |
| 45 | 0,3435 |
-
Wenn
das Elementpaar auf der Seite des Stromversorgungsanschlusses nicht
parallel zum Elementpaar auf der Seite des Masseanschlusses ist,
war Δθerr so klein wie
bei der Vernachlässigung des AMR-Effekts (entsprechend 13).
Insbesondere im Beispiel 2 (Bedingung 3-4) mit einem θdip von 40° war Δθerr
mit 0,1317° sehr klein. Bei der Anordnung des Vergleichsbeispiels
7 (Bedingung 3-5 mit θdip = 45°),
bei der Elemente mit fixierten Lagen mit der gleichen Magnetisierungsrichtung
senkrecht zueinander liegen, betrug Δθerr 0,3435°. Dies zeigt, daß der
Winkelfehler bei der Brückenschaltung der vorliegenden
Erfindung, bei der θdip im Bereich
von 38° bis 45° liegt, kleiner ist als bei der
herkömmlichen Brückenschaltung, bei der θdip 45° beträgt. Bei einem
magnetischen Sensor, bei dem Elemente mit fixierten Lagen mit gleicher
Magnetisierungsrichtung nicht parallel sind, liegt θdip vorzugsweise im Bereich von 39° bis
44° und besser noch im Bereich von 40° bis 43°.
-
Um
die Auswirkungen eines verringerten Winkelfehlers genauer zu untersuchen,
wurde die Analyse von θerr bis
zur fünften harmonischen Komponente durchgeführt.
Die 23 zeigt die Ergebnisse der Analyse der harmonischen
Komponenten für die Vergleichsbeispiele 4 bis 6 (Bedingungen
2-1, 2-5 und 2-7 in der Tabelle 3) mit einer parallelen Elementanordnung.
Die 24 zeigt die Ergebnisse der Analyse der harmonischen
Komponenten für das Beispiel 2 und für das Vergleichsbeispiel
7 (Bedingungen 3-4 und 3-5 in der Tabelle 4) mit einer nicht parallelen
Elementanordnung. Im Falle der parallelen Elementanordnung sind
im wesentlichen alle Harmonischen, die in den Vergleichsbeispielen
4 und 6 mit einem relativ kleinen θerr erscheinen, vierte
Harmonische. Auf der anderen Seite enthält das Vergleichsbeispiel
5 mit einem großen θerr alle
harmonischen Komponenten bis hinauf zur fünften Harmonischen,
und die erste und die dritte Harmonische sind besonders groß.
Aus der Gleichung (8) ist zwar zu erwarten, daß der AMR-Effekt
als vierte Harmonische in Erscheinung tritt, es erscheinen jedoch
aufgrund der Elementanordnung große dritte Harmonische.
Im Beispiel 2 und im Vergleichsbeispiel 7 mit einer nicht parallelen
Elementanordnung gibt es im wesentlichen keine Harmonischen außer
der vierten Harmonischen, wobei im Beispiel 2 die vierte Harmonische
sehr klein ist.
-
Die 25 zeigt
die harmonischen Komponenten im Vergleichsbeispiel 5 mit einem θdip von 45° und einer parallelen
Elementanordnung und im Vergleichsbeispiel 7 mit einem θdip von 45° und einer nicht parallelen
Elementanordnung. Im Vergleichsbeispiel 7 mit einer nicht parallelen
Elementanordnung gibt es im wesentlichen keine Harmonischen außer
der vierten Harmonischen, und die vierte Harmonische ist im wesentlichen nur
halb so groß wie im Vergleichsbeispiel 5 mit einer parallelen
Elementanordnung. Um θerr zu verkleinern,
ist es daher erforderlich, die erste und die dritte Harmonische
im wesentlichen auf Null zu reduzieren und die vierte Harmonische
sehr stark zu verkleinern.
-
Ausführungsform 3
-
Untersuchung des Einflusses von Hint auf den Winkelfehler
-
Die
sich am stärksten ändernde magnetische Eigenschaft
in der SVGMR-Schicht ist das magnetische Feld Hint,
das über die Zwischenschicht auf die fixierte Lage und
die freie Lage einwirkt. Hint ändert
sich bei Schwankungen in der Dicke der Zwischenschicht, aufgrund
des sogenannten ”Orangenschäleffekts” durch
die Oberflächenrauhigkeit der Zwischenschicht sowie aufgrund
von Temperaturen wie der Betriebstemperatur und der Umgebungstemperatur
usw. sehr leicht. Um die Beziehung zwischen Hint und Δθerr bei der optimalen Elementanordnung (Beispiel
2) zu bestimmen, wurde Δθerr durch
eine Simulation bestimmt, bei der in dem magnetischen Sensor der 12 und
einem Hint-R1 von 0 kA/m, 0,08 kA/m, 0,16
kA/M, 0,40 kA/m und 0,80 kA/m das Hint des
Elements 213a (Hint-R5) von –0,8
kA/m bis +0,8 kA/M geändert wurde. Die Ergebnisse sind
in der 26 dargestellt.
Hint-R1 des Elements 211a = Hint-R4 des Elements 211d,
Hint-R2 des Elements 211b = Hint-R3 des Elements 211c,
Hint-R1 = –Hint-R2,
Hint-R5 des Elements 213a = Hint-R8 des Elements 213d,
Hint-R6 des Elements 213b = Hint-R7 des Elements 213c, und
Hint-R5 = –Hint-R6.
-
Bei
einem kleinen Hint-R1 wurde ein kleineres Δθerr erhalten, und Δθerr war im wesentlichen dann minimal, wenn
Hint-R5 das Vorzeichen wechselte. Bei einem
Hint-R1 von 0,16 kA/m oder weniger war Δθerr gleich 1° oder weniger, und Δθerr war auch bei einem Hint-R1 von
0,4 kA/m oder mehr gleich 1° oder weniger, solange Hint-R5 innerhalb von ±0,4 kA/m lag.
Dies zeigt, daß der Winkelfehler verringert werden kann,
wenn die Änderungen von Hint bei
dem magnetischen Sensor der vorliegenden Erfindung innerhalb von ±0,4
kA/m liegen. Es kann so ein magnetischer Sensor mit einem kleinen
Winkelfehler erhalten werden, auch wenn die Dicke der Zwischenschicht
variiert und sich Hint bei hohen Temperaturen ändert.
-
Ausführungsform 4
-
Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung
-
Die 27 zeigt
ein Beispiel für die Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung der
vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung umfaßt einen magnetischen
Sensor 31 mit in einer Brückenschaltung verbundenen SVGMR-Elementen,
einen scheibenförmigen Permanentmagneten 33, der
dem magnetischen Sensor 31 gegenüberliegt und
der diametral zwei magnetische Pole aufweist, eine Befestigungsvorrichtung 34,
die den Permanentmagneten 33 hält, und eine an
der Befestigungsvorrichtung 34 angebrachte und integral
damit verbundene Drehwelle 34b. Eine Drehung des Permanentmagneten 33 verändert
das austretende Magnetfeld. In der 27 bezeichnet
eine strichpunktierte Linie die Drehachse und ein Pfeil 32 eine
magnetische Flußlinie. Der magnetische Sensor 31 erfaßt
eine Änderung des magnetischen Feldes in der Ebene der
SVGMR-Elemente. Die Elementanordnung der vorliegenden Erfindung
ergibt einen magnetischen Sensor 31 mit einer hohen Unabhängigkeit
gegenüber Ungleichmäßigkeiten der forminduzierten
Anisotropie Hkd in den SVGMR-Elementen, gegenüber
Ungleichmäßigkeiten im Hk und
Hint aufgrund von Eigenschaften der SVGMR-Schicht
usw. und so eine sehr genaue Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung.
-
Ein
anderes Beispiel für die Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung
der 27 unterscheidet sich nur darin vom ersten Beispiel,
daß der magnetische Sensor von 31 nach 31' verschoben
ist. Die Substratoberfläche des magnetischen Sensors 31' liegt
der Umfangsfläche des Permanentmagneten 33 gegenüber,
und die Mittelachse ist parallel zur Drehachse. Mit diesem Aufbau
wird die Ausgangsverzerrung verringert.
-
Die 28 zeigt
die Anordnung der Elemente in der Brückenschaltung der 12.
Die Pfeile X und Y geben die Richtungen der Seiten des Sensorchips
an, der die Vorrichtung bildet. Die 29 zeigt
schematisch die Elementanordnung der 28 zusammen
mit den Magnetisierungsrichtungen der fixierten Lagen (durch Pfeile
bezeichnet). Die Elemente 311a und 311c, die Elemente 311b und 311d (die
zum Beispiel von der gestrichelten Linie umgeben sind), ... usw.,
deren fixierte Lagen jeweils die gleiche Magnetisierungsrichtung
aufweisen, sind um einen bestimmten Winkel (zum Beispiel ±40°)
gegen die Magnetisierungsrichtung der fixierten Lage geneigt. Die
Elemente 311a und 311c sind jedoch nicht parallel,
und auch die Elemente 311b und 311d sind nicht
parallel, so daß der AMR-Effekt aufgehoben wird.
-
Da
die Elemente 311c und 311b und die Elemente 313a und 313d in
der 29 äquivalent sind, verändert
ein Austausch der Elemente 313a und 313d die Beziehungen
zwischen der Längsrichtung der Elemente und den Magnetisierungsrichtungen
der fixierten Lage nicht, wie es in der 30 gezeigt
ist. Mit Isolierschichten an den Kreuzungspunkten der Leitungen
sind die Brückenschaltungen isoliert. Die 31 und 32 zeigen
andere Beispiele für die Elementanordnung. Die Beispiele
der 31 und 32 unterscheiden
sich von dem der 29 hinsichtlich des Winkels
zwischen benachbarten Elementen, sie sind jedoch hinsichtlich der
Beziehungen zwischen den Längsrichtungen der Elemente und
den Magnetisierungsrichtungen der fixierten Lage identisch.
-
Ein
solcher Austausch von Elementen wird durch SVGMR-Schichten möglich,
bei denen die Magnetisierungsrichtungen der fixierten Lagen bei
deren Ausbildung frei festgelegt werden können. Die Verwendung einer
Schichtausbildungsvorrichtung, bei der die Richtung eines Magnetfeldes
bei der Ausbildung der Schichten beliebig festgelegt werden kann,
ermöglicht bei der Elementanordnung mehr Freiheiten. Die 33 zeigt eine
Brückenschaltung, bei der die Elemente der 29 in
einer Ebene um 45° gedreht wurden. Die Drehung der Elemente
um 45° ermöglicht eine dichtere Elementanordnung.
Die Optimierung der Beziehungen zwischen den Längsrichtungen
der Elemente und den Magnetisierungsrichtungen der fixierten Lagen
ergeben so einen magnetischen Sensor mit Elementen, die frei angeordnet
werden können, der eine hohe Unempfindlich keit gegenüber Änderungen
in den Eigenschaften der SVTGMR-Schicht, eine kleine Ausgangsverzerrung
und einen geringen Winkelfehler aufweist, und eine entsprechende
Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung. Bei dem Aufbau der 33 kann
ein Teil der Magnetisierungsrichtungen wie in der 34 gezeigt
geändert werden. Die 35 und 36 zeigen
weitere Beispiele.
-
Aus
der obigen Beschreibung ergibt sich, daß das Einhalten
der Bedingung 36° ≤ θ
dip < 45° einen
magnetischen Sensor mit einem viel kleineren Winkelfehler und einer
geringeren Ausgangsverzerrung ergibt als die Elementanordnung (
37 und
38),
die in der
JP 2003-502876
A beschrieben ist, bei der der Winkel zwischen den Elementen
90° beträgt (entsprechend einem θ
dip = 45°).
-
Die
vorliegende Erfindung wurde anhand der beiliegenden Zeichnungen
im Detail beschrieben, ist darauf jedoch nicht beschränkt.
Innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung können
verschiedene Modifikationen erfolgen.
-
AUSWIRKUNG DER ERFINDUNG
-
Der
magnetische Sensor und die Drehwinkel-Erfassungsvorrichtung der
vorliegenden Erfindung weisen einen kleinen Winkelfehler durch Herstellungsungleichmäßigkeiten
bei den SVGMR-Schichten und eine geringe Ausgangsverzerrung auf.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2001-159542
A [0003]
- - JP 2003-502876 A [0004, 0054, 0071, 0077, 0093]
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- - JP 3033934 [0057]
- - JP 2004-296000 A [0057]
