DE102021201042B3

DE102021201042B3 - Magnetic field sensor device and method for producing a magnetic field sensor device

Info

Publication number: DE102021201042B3
Application number: DE102021201042.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Tibus; Werner Schiemann; Robert Peter Uhlig; Joachim Nagel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-02-04
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2041-02-05
Also published as: JP2022119745A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Magnetfeldsensorvorrichtung mit vier zu einer Wheatstone-Brückenschaltung verschalteten Widerstandselementen, wobei jedes Widerstandselement mindestens ein magnetischer-Tunnelwiderstand, TMR,-Element aufweist, wobei jedes TMR-Element eine elektrisch leitfähige fixierte Lage, eine elektrisch leitfähige freie Lage und eine die fixierte Lage und die freie Lage trennende elektrisch isolierende Tunnelbarriere aufweist, wobei die freie Lage eine anisotrope geometrische Form aufweist. Eine Erregereinrichtung erzeugt ein magnetisches Wechselfeld. Eine Kompensationseinrichtung erzeugt ein magnetisches Gleichfeld. Eine Messeinrichtung gibt in Abhängigkeit von einer Brückenspannung der Wheatstone-Brückenschaltung ein Messsignal aus. Eine Regeleinrichtung erzeugt anhand des von der Messeinrichtung ausgegebenen Messsignals ein Steuersignal, um die Kompensationseinrichtung derart anzusteuern, dass ein Gleichanteil des Messsignals auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird. Eine Auswerteeinrichtung ermittelt anhand des Erregerstroms und des von der Messeinrichtung ausgegebenen Messsignals eine Stärke eines externen Magnetfeldes.The invention relates to a magnetic field sensor device with four resistance elements connected to form a Wheatstone bridge circuit, each resistance element having at least one magnetic tunnel resistance, TMR, element, each TMR element having an electrically conductive fixed layer, an electrically conductive free layer and a fixed layer Having layer and the free layer separating electrically insulating tunnel barrier, wherein the free layer has an anisotropic geometric shape. An excitation device generates an alternating magnetic field. A compensation device generates a constant magnetic field. A measuring device outputs a measuring signal as a function of a bridge voltage of the Wheatstone bridge circuit. A control device uses the measurement signal output by the measurement device to generate a control signal in order to control the compensation device in such a way that a DC component of the measurement signal is regulated to a predetermined value. An evaluation device uses the excitation current and the measurement signal output by the measuring device to determine the strength of an external magnetic field.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnetfeldsensorvorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Magnetfeldsensorvorrichtung.The present invention relates to a magnetic field sensor device and a method for producing a magnetic field sensor device.

Stand der TechnikState of the art

Mit zunehmender Elektrifizierung kommt der Strommessung im Fahrzeug eine immer höhere Bedeutung zu. Bei einem bekannten Messverfahren wird ein Messshunt verwendet, um anhand des Spannungsabfalles den durch den Messshunt fließenden Strom zu messen. Problematisch ist dabei, dass häufig eine galvanische Trennung von Messkreis und Auswertekreis erforderlich ist, welche bei diesem Messverfahren nicht gegeben ist und mithilfe zusätzlicher elektronischer Komponenten aufgebaut werden muss.With increasing electrification, current measurement in the vehicle is becoming increasingly important. In a known measurement method, a measurement shunt is used in order to measure the current flowing through the measurement shunt on the basis of the voltage drop. The problem here is that a galvanic separation of the measuring circuit and the evaluation circuit is often required, which is not the case with this measuring method and has to be set up using additional electronic components.

Zunehmend werden daher berührungslose Systeme verwendet, die z.B. anhand des Magnetfeldes den Strom ermitteln, welcher das Magnetfeld erzeugt. Aus der US 2016 / 0 320 459 A1 ist ein Magnetfeldsensor mit verbesserter Linearität bekannt. Die EP 1 450 176 A1 offenbart einen Magnetfeldsensor mit einer Magnetfeldmesszelle und einer magnetischen Abschirmung, die mindestens zwei durch einen Luftspalt getrennte Teile aufweist und die in einem Hohlraum der magnetischen Abschirmung angeordnete Magnetfeldmesszelle umgibt. Weiter ist aus der EP 2 423 693 B1 ein Ringkern-Stromwandler bekannt, wobei ein dielektrischer Körper durch komplementäre Verriegelungselemente, die auf dem dielektrischen Körper und einem Gehäuse vorgesehen sind, am Gehäuse verriegelt werden kann.Contactless systems are therefore increasingly being used, which, for example, use the magnetic field to determine the current that generates the magnetic field. From the U.S. 2016/0 320 459 A1 a magnetic field sensor with improved linearity is known. the EP 1 450 176 A1 discloses a magnetic field sensor with a magnetic field measuring cell and a magnetic shield, which has at least two parts separated by an air gap and surrounds the magnetic field measuring cell arranged in a cavity of the magnetic shield. Next is from the EP 2 423 693 B1 a toroidal current transformer is known, wherein a dielectric body can be locked to the housing by complementary locking elements provided on the dielectric body and a housing.

Induktive, nach dem Transformatorprinzip betriebene Systeme eignen sich nicht zur Erfassung des Gleichstromanteils. Für die berührungslose Strommessung gibt es verschiedene Ansätze. So kann z.B. zwischen linearen Verfahren und dem Fluxgate-Prinzip unterschieden werden.Inductive systems operated according to the transformer principle are not suitable for detecting the direct current component. There are different approaches for non-contact current measurement. For example, a distinction can be made between linear processes and the fluxgate principle.

Lineare Verfahren basieren auf einem linearen Verhalten eines Stromsensors über einen definierten Messbereich hinweg. Die Messgröße wird über eine im Wesentlichen lineare Funktion in eine elektrisch erfassbare Größe, wie z.B. eine Spannung transformiert.Linear methods are based on the linear behavior of a current sensor over a defined measuring range. The measured variable is transformed into an electrically detectable variable, such as a voltage, via an essentially linear function.

Das Fluxgate-Prinzip hingegen nutzt gezielt das nichtlineare Verhalten des magnetischen Materials eines Sensors, um die notwendige Sättigungsmagnetisierung des Sensorelements zu bestimmen. Diese ändert sich abhängig von einem äußeren Magnetfeld und verschiebt die Mittelpunktlage. Dabei entspricht die Mittelpunktlage einer Differenz der Amplituden, die für die Sättigung mit einem negativ orientierten Magnetfeld und einem positiv orientierten Magnetfeld erforderlich sind.The fluxgate principle, on the other hand, specifically uses the non-linear behavior of the magnetic material of a sensor to determine the necessary saturation magnetization of the sensor element. This changes depending on an external magnetic field and shifts the center position. The center position corresponds to a difference in the amplitudes required for saturation with a negatively oriented magnetic field and a positively oriented magnetic field.

Wird ein oszillierendes Referenzfeld erzeugt, welches das magnetische Material bei unterschiedlicher Magnetfeldorientierung periodisch in Sättigung bringt, kann diese Mittelpunktverschiebung ermittelt werden und daraus auf das äußere, zu messende Magnetfeld geschlossen werden.If an oscillating reference field is generated, which periodically saturates the magnetic material with different magnetic field orientations, this center shift can be determined and the external magnetic field to be measured can be deduced from this.

Zur berührungslosen Strommessung können Sensoren zum Einsatz kommen, welche z.B. auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR-Effekt), dem Riesenmagnetwiderstands-Effekt (GMR-Effekt) oder dem magnetischen-Tunnelwiderstand-Effekt (englisch: tunnel magnetoresistance, TMR-Effekt) basieren. Diese Sensoren werden für lineare Anwendungen meistens in Messbrückenanwendungen verwendet. Es gibt hierbei Bemühungen, die lineare Kennlinie dieses Sensortyps zu verbessern.Sensors based on the anisotropic magnetoresistive effect (AMR effect), the giant magnetoresistance effect (GMR effect) or the tunnel magnetoresistance (TMR) effect can be used for non-contact current measurement. For linear applications, these sensors are mostly used in measuring bridge applications. Efforts are being made to improve the linear characteristic of this type of sensor.

Die Ummagnetisierung von ferromagnetischen Kernen innerhalb eines Magnetkerns hinsichtlich des Fluxgate-Prinzips kann mit Sensoren detektiert werden. Dabei kann ein Magnetkreis verwendet werden, der aus Erregerspulen und einem ferromagnetischen Kern besteht. Als Sensor dient entweder eine Empfängerspule oder ein linearer Magnetfeldsensor. Auch die gleichzeitige Nutzung einer einzelnen um den Magnetkern gewickelten Spule als Erreger und Empfänger kann vorgesehen sein. Weiter kann mithilfe einer Kompensationsspule das externe Magnetfeld kompensiert werden und somit die Mittelpunktlage korrigiert werden. Der notwendige Kompensationsstrom ist dann das Maß für das externe Magnetfeld.The magnetic reversal of ferromagnetic cores within a magnetic core with regard to the fluxgate principle can be detected with sensors. A magnetic circuit consisting of excitation coils and a ferromagnetic core can be used. Either a receiver coil or a linear magnetic field sensor serves as a sensor. The simultaneous use of a single coil wound around the magnetic core as exciter and receiver can also be provided. Furthermore, the external magnetic field can be compensated with the help of a compensation coil and thus the center position can be corrected. The necessary compensation current is then the measure for the external magnetic field.

Aus der Schrift US 2018/0 191 282 A1 ist eine Magnetfeldsensorvorrichtung bekannt, bei der der magnetische Tunnelwiderstands-Effekt (TMR) an zwei Magnetsensorelementen verwendet wird. Weitere Anwendungen des TMR-Effekts sind aus den Schriften US 2016 / 0 320 462 A1 EP 2 284 553 A1 bekannt.From Scripture US 2018/0 191 282 A1 a magnetic field sensor device is known in which the tunneling magnetic resistance (TMR) effect is used on two magnetic sensor elements. Other applications of the TMR effect are from the writings U.S. 2016/0 320 462 A1 EP 2 284 553 A1 known.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die Erfindung stellt eine Magnetfeldsensorvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Magnetfeldsensorvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit. Darüber hinaus beansprucht die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der beschriebenen Magnetfeldsensorvorrichtung.The invention provides a magnetic field sensor device and a method for producing a magnetic field sensor device with the features of the independent patent claims. In addition, the invention claims a method for operating the described magnetic field sensor device.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred embodiments are the subject of the respective dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Magnetfeldsensorvorrichtung mit vier zu einer Wheatstone-Brückenschaltung verschalteten Widerstandselementen, wobei jedes Widerstandselement mindestens ein magnetischer-Tunnelwiderstand-Element (TMR-Element) aufweist, wobei jedes TMR-Element eine elektrisch leitfähige magnetisch fixierte Lage (engl. fixed layer), eine elektrisch leitfähige magnetisch freie Lage (engl. free layer) und eine die fixierte Lage und die freie Lage trennende elektrisch isolierende Tunnelbarriere aufweist und wobei die freie Lage eine anisotrope geometrische Form aufweist. Die Magnetfeldsensorvorrichtung umfasst weiter eine Erregereinrichtung mit mindestens einer Magnetfeldeinrichtung, wobei die Erregereinrichtung dazu ausgebildet ist, durch Bestromen der mindestens einen Magnetfeldeinrichtung mit einem Erregerstrom für jedes Widerstandselement ein auf das Widerstandselement einwirkendes magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Weiter umfasst die Magnetfeldsensorvorrichtung eine Kompensationseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, für jedes Widerstandselement ein auf das Widerstandselement einwirkendes magnetisches Gleichfeld zu erzeugen. Die Magnetfeldsensorvorrichtung umfasst eine Messeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einer Brückenspannung der Wheatstone-Brückenschaltung ein Messsignal auszugeben. Weiter umfasst die Magnetfeldsensorvorrichtung eine Regeleinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, anhand des von der Messeinrichtung ausgegebenen Messsignals ein Steuersignal zu erzeugen, um die Kompensationseinrichtung derart anzusteuern, dass ein Gleichanteil des Messsignals auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird. Schließlich umfasst die Magnetfeldsensorvorrichtung eine Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, anhand des Erregerstroms und des von der Messeinrichtung ausgegebenen Messsignals eine Stärke eines externen Magnetfeldes zu ermitteln.According to a first aspect, the invention therefore relates to a magnetic field sensor device with four resistance elements connected to form a Wheatstone bridge circuit, each resistance element having at least one magnetic tunneling resistance element (TMR element), each TMR element having an electrically conductive magnetically fixed layer . Fixed layer), an electrically conductive magnetically free layer and an electrically insulating tunnel barrier separating the fixed layer and the free layer, and wherein the free layer has an anisotropic geometric shape. The magnetic field sensor device further comprises an excitation device with at least one magnetic field device, wherein the excitation device is designed to generate an alternating magnetic field acting on the resistance element by energizing the at least one magnetic field device with an excitation current for each resistance element. Furthermore, the magnetic field sensor device comprises a compensation device, which is designed to generate a direct magnetic field acting on the resistance element for each resistance element. The magnetic field sensor device includes a measuring device which is designed to output a measuring signal as a function of a bridge voltage of the Wheatstone bridge circuit. The magnetic field sensor device also includes a control device which is designed to generate a control signal based on the measurement signal output by the measurement device in order to control the compensation device in such a way that a DC component of the measurement signal is regulated to a predetermined value. Finally, the magnetic field sensor device includes an evaluation device which is designed to determine the strength of an external magnetic field based on the excitation current and the measurement signal output by the measuring device.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorvorrichtung, wobei zumindest die Erregereinrichtung und die Kompensationseinrichtung mittels eines Dünnschichtverfahrens hergestellt werden.According to a second aspect, the invention relates to a method for producing a magnetic field sensor device according to the invention, wherein at least the exciter device and the compensation device are produced using a thin-film method.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Das Fluxgate-Verfahren erfordert unter anderem den Einsatz eines magnetfeldsensitiven Materials (ferromagnetischer Kern) mit nichtlinearer B-H-Kennlinie. Dadurch wird typischerweise der Bauraum erhöht und dessen Größe und Lage können das Magnetfeld beeinflussen. Die erfindungsgemäße Magnetfeldsensorvorrichtung ist derart ausgestaltet, dass die Sensorelemente eine geometrische Anisotropie aufweisen, um die erforderliche Nichtlinearität der Sensorausgangskennlinie zu erzeugen. Durch die Integration der Funktionalität des magnetfeldsensitiven Materials in die Sensorelemente kann Bauraum eingespart werden.The fluxgate process requires, among other things, the use of a magnetic field-sensitive material (ferromagnetic core) with a non-linear B-H characteristic. This typically increases the installation space and its size and position can influence the magnetic field. The magnetic field sensor device according to the invention is designed in such a way that the sensor elements have a geometric anisotropy in order to generate the required non-linearity of the sensor output characteristic. Installation space can be saved by integrating the functionality of the magnetic field-sensitive material into the sensor elements.

Eine der Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht in der Ausnutzung der geometrisch erzeugten Nichtlinearität von Magnetfeldsensoren auf Basis von Tunnelmagnetwiderständen, um eine hochgenaue lineare Magnetfeldsensorvorrichtung bereitzustellen. Die nichtlinearen TMR-Elemente werden hierzu in einer Wheatstone-Messbrücke verschaltet.One idea on which the invention is based consists in utilizing the geometrically generated nonlinearity of magnetic field sensors based on tunnel magnetoresistances in order to provide a highly precise linear magnetic field sensor device. For this purpose, the non-linear TMR elements are connected in a Wheatstone measuring bridge.

TMR-basierte Sensoren bieten Vorteile in Bezug auf die erreichbaren Messfrequenzen, weshalb sie sich besonders für den Einsatz im Fluxgate-Prinzip eignen. Die periodische Umschaltung der beiden Arbeitspunkte mit hoher Frequenz stellt gewisse Anforderungen an die Erregereinrichtung, da etwa die benötigten Spannungen bei Verwendung einer Erregerspule maßgeblich von der Induktivität der Erregerspule abhängen. Damit lassen sich auch hohe Messbandbreiten bei hoher Genauigkeit erreichen.TMR-based sensors offer advantages in terms of the achievable measurement frequencies, which is why they are particularly suitable for use in the fluxgate principle. The periodic switching of the two operating points at high frequency places certain demands on the excitation device, since the voltages required when using an excitation coil depend significantly on the inductance of the excitation coil. This also allows high measurement bandwidths to be achieved with high accuracy.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung ist die freie Lage symmetrisch bezüglich zweier Hauptachsen ausgebildet, wobei sich eine Ausdehnung der freien Lage entlang der Hauptachsen für die beiden Hauptachsen unterscheidet. Die Hauptachsen legen die Hauptmagnetisierungsrichtungen und damit die Arbeitspunkte der Magnetfeldsensorvorrichtung fest.According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the free layer is symmetrical with respect to two main axes, with an extent of the free layer along the main axes being different for the two main axes. The main axes define the main directions of magnetization and thus the working points of the magnetic field sensor device.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung ist die freie Lage oval, rechteckig, rautenförmig oder linsenförmig geformt. Die freie Lage weist somit insbesondere vorzugsweise zwei Symmetrieachsen bzw. Hauptachsen auf.According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the free layer is oval, rectangular, diamond-shaped or lens-shaped. The free layer thus preferably has two axes of symmetry or main axes.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung weist die Magnetfeldeinrichtung mindestens eine Spule oder mindestens einen elektrischen Leiter auf, wobei die Erregereinrichtung dazu ausgebildet ist, die mindestens eine Spule oder den mindestens einen elektrischen Leiter mit dem Erregerstrom zu bestromen, um das magnetische Wechselfeld zu erzeugen.According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the magnetic field device has at least one coil or at least one electrical conductor, the excitation device being designed to energize the at least one coil or the at least one electrical conductor with the excitation current in order to generate the alternating magnetic field.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung verläuft die mindestens eine Spule oder der mindestens eine elektrische Leiter quer zur Magnetisierungsrichtung der freien Lage des mindestens einen TMR-Elements.According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the at least one coil or the at least one electrical conductor runs transversely to the direction of magnetization of the free layer of the at least one TMR element.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung umfasst die Erregereinrichtung die Kompensationseinrichtung, wobei ein Wechselanteil des Erregerstroms das magnetische Wechselfeld erzeugt und wobei ein Gleichanteil des Erregerstroms das magnetische Gleichfeld erzeugt. Dadurch ist ein besonders kompakter Aufbau möglich.According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the excitation device includes the compensation device, with an alternating component of the excitation current generating the alternating magnetic field and with a direct current part of the excitation current generates the DC magnetic field. A particularly compact structure is thereby possible.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung weist jedes Widerstandselement eine Vielzahl von parallel und/oder in Reihe geschalteten TMR-Elementen auf. Dadurch können die Empfindlichkeit und der effektive elektrische Widerstand der Magnetfeldsensorvorrichtung eingestellt werden.According to a preferred development of the magnetic field sensor device, each resistance element has a multiplicity of TMR elements connected in parallel and/or in series. As a result, the sensitivity and the effective electrical resistance of the magnetic field sensor device can be adjusted.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung ist die Regeleinrichtung dazu ausgebildet, die Kompensationseinrichtung derart anzusteuern, dass das Messsignal im Wesentlichen symmetrisch um eine Brückenspannung von null Volt verläuft. Die Auswerteeinrichtung kann ermitteln, bei welchem Erregerstrom die Wheatstone-Messbrücke den Arbeitspunkt wechselt. Etwa anhand einer Look-up-Tabelle oder der Berechnung über eine Kalibrationsfunktion kann die Auswerteeinrichtung die Stärke des externen Magnetfelds ermitteln.According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the control device is designed to control the compensation device in such a way that the measurement signal runs essentially symmetrically around a bridge voltage of zero volts. The evaluation device can determine the excitation current at which the Wheatstone measuring bridge changes the operating point. The evaluation device can determine the strength of the external magnetic field, for example using a look-up table or the calculation using a calibration function.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung weiter dazu ausgebildet, anhand der ermittelten Stärke des externen Magnetfelds eine Stromstärke eines das Magnetfeld erzeugenden Stromes zu bestimmen.According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the evaluation device is further designed to use the determined strength of the external magnetic field to determine a current strength of a current that generates the magnetic field.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung sind die Erregereinrichtung und die Kompensationseinrichtung mittels Dünnschichtverfahren hergestellt. Durch die Realisierung der Erreger- und Kompensationseinrichtung im Dünnschichtverfahren kann der Stromverbrauch reduziert werden, da durch geringere Abstände ein kleinerer Strom ausreichend ist, um Felder mit entsprechender Amplitude zu erzeugen. Weiter können vorzugsweise auch die TMR-Elemente mittels Dünnschichtverfahren hergestellt sein.According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the excitation device and the compensation device are produced using thin-film processes. The implementation of the excitation and compensation device in the thin-film process allows the power consumption to be reduced, since smaller distances mean that a smaller current is sufficient to generate fields with a corresponding amplitude. Furthermore, the TMR elements can preferably also be produced by means of thin-film processes.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Magnetfeldsensorvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, zur Bestimmung des Magnetfelds zu ermitteln, bei welchem Erregerstrom die Wheatstone-Brückenschaltung ihren Arbeitspunkt wechselt. Wirkt ein externes Magnetfeld auf die Wheatstone-Brückenschaltung ein, verändert sich der notwendige Erregerstrom für den Arbeitspunktwechsel. Anhand des Erregerstroms kann die Auswerteeinrichtung somit die Magnetfeldstärke des externen Magnetfelds ermitteln.According to a preferred development of the magnetic field sensor device, the evaluation device is designed to determine the excitation current at which the Wheatstone bridge circuit changes its operating point in order to determine the magnetic field. If an external magnetic field acts on the Wheatstone bridge circuit, the excitation current required for the operating point change changes. The evaluation device can thus determine the magnetic field strength of the external magnetic field on the basis of the excitation current.

Figurenlistecharacter list

Es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau einer Magnetfeldsensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einem ersten Zustand;
2 einen schematischen Aufbau der Magnetfeldsensorvorrichtung in einem zweiten Zustand;
3 verschiedene geometrische Ausgestaltungen der freien Lage der TMR-Elemente;
4 schematische Illustrationen zur Erläuterung der Magnetisierung in der freien Lage;
5 eine schematische Darstellung eines TMR-Elements;
6 eine Abhängigkeit des Widerstands von einem Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der freien Lage und der fixierten Lage eines TMR-Elements;
7 eine schematische Darstellung eines TMR-Elements mit einer Magnetfeldeinrichtung;
8 eine schematische Darstellung einer Ausgangskennlinie einer Wheatstone-Brücke einer erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorvorrichtung; und
9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Magnetfeldsensorvorrichtung.

Show it:

1 a schematic structure of a magnetic field sensor device according to an embodiment of the invention in a first state;
2 a schematic structure of the magnetic field sensor device in a second state;
3 different geometric configurations of the free position of the TMR elements;
4 schematic illustrations to explain the magnetization in the free position;
5 a schematic representation of a TMR element;
6 a dependency of the resistance on an angle between the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of a TMR element;
7 a schematic representation of a TMR element with a magnetic field device;
8th a schematic representation of an output characteristic of a Wheatstone bridge of a magnetic field sensor device according to the invention; and
9 a flowchart of a method for producing a magnetic field sensor device.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.Elements and devices that are the same or have the same function are provided with the same reference symbols in all figures. The numbering of method steps is for the sake of clarity and should not generally imply a specific chronological order. In particular, several method steps can also be carried out simultaneously.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments

1 zeigt einen schematische Aufbau einer Magnetfeldsensorvorrichtung 10. Eine Wheatstone-Brückenschaltung umfasst vier Widerstandselemente R1 bis R4. Jedes Widerstandselement R1 bis R4 besteht aus einem TMR-Element bzw. einer TMR-Zelle 11 bis 14 mit einer fixierten Lage 71, einer freien Lage 72 und einer (nicht gezeigten) Tunnelbarriere. Die freie Lage 72 weist eine anisotrope geometrische Form auf, in 1 eine ovale Form. 1 shows a schematic structure of a magnetic field sensor device 10. A Wheatstone bridge circuit comprises four resistance elements R1 to R4. Each resistance element R1 to R4 consists of a TMR element or a TMR cell 11 to 14 with a fixed layer 71, a free layer 72 and a (not shown) tunnel barrier. The free layer 72 has an anisotropic geometric shape, in 1 an oval shape.

Die Magnetfeldsensorvorrichtung 10 umfasst weiter eine Erregereinrichtung 2 mit einer Magnetfeldeinrichtung. Die Magnetfeldeinrichtung kann als Spule oder als ein elektrischer Leiter oder eine Vielzahl von elektrischen Leitern ausgebildet sein, und ist unterhalb oder oberhalb der Widerstandselemente R1 bis R4 angeordnet. Wenn ein Strom durch die Spule oder die elektrischen Leiter fließt, wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches auf die Widerstandselemente R1 bis R4 einwirkt. Die elektrischen Leiter können beispielsweise mittels Dünnschichtverfahren hergestellt sein.The magnetic field sensor device 10 further includes an excitation device 2 with a magnetic field device. The magnetic field device can be in the form of a coil or an electrical conductor or a multiplicity of electrical conductors, and is arranged below or above the resistance elements R1 to R4. When a current flows through the coil or the electrical conductors, an alternating magnetic field is generated, which acts on the resistance elements R1 to R4. The electrical conductors can be produced, for example, using thin-film processes.

Weiter umfasst die Magnetfeldsensorvorrichtung 10 eine Kompensationseinrichtung 3, welche dazu ausgebildet ist, für jedes Widerstandselement R1 bis R4 ein auf das Widerstandselement einwirkendes magnetisches Gleichfeld zu erzeugen. Die Kompensationseinrichtung 3 und die Erregereinrichtung 2 können auch durch dieselben Bauteile implementiert sein. So kann etwa eine Spule oder ein einzelner elektrischer Leiter oder eine Vielzahl von parallelen elektrischen Leitern vorgesehen sein, welche unterhalb oder oberhalb der TMR-Elemente 11 bis 14 verlaufen, wobei ein Wechselanteil des durch die Spule bzw. die elektrischen Leiter fließenden Erregerstroms das magnetische Wechselfeld erzeugt und wobei ein Gleichanteil des Erregerstroms das magnetische Gleichfeld erzeugt.Furthermore, the magnetic field sensor device 10 comprises a compensation device 3, which is designed to generate a direct magnetic field acting on the resistance element for each resistance element R1 to R4. The compensation device 3 and the exciter device 2 can also be implemented by the same components. For example, a coil or a single electrical conductor or a large number of parallel electrical conductors can be provided, which run below or above the TMR elements 11 to 14, with an alternating component of the excitation current flowing through the coil or the electrical conductors generating the alternating magnetic field generated and wherein a direct component of the excitation current generates the magnetic constant field.

Die Magnetfeldsensorvorrichtung 10 umfasst weiter eine Messeinrichtung 4, welche eine Brückenspannung V_DD der Wheatstone-Brückenschaltung misst und ein entsprechendes Messsignal ausgibt.The magnetic field sensor device 10 further includes a measuring device 4, which _{measures a bridge voltage V DD of} the Wheatstone bridge circuit and outputs a corresponding measurement signal.

Weiter umfasst die Magnetfeldsensorvorrichtung 10 eine Regeleinrichtung 5, welche das Messsignal von der Messeinrichtung 4 empfängt und anhand des Messsignals ein Steuersignal erzeugt. Mit dem Steuersignal wird die Kompensationseinrichtung 3 gesteuert. Die Regeleinrichtung 5 erzeugt das Steuersignal derart, dass der Gleichanteil des Messsignals auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Messsignal im Wesentlichen auf einen symmetrischen Verlauf um eine Brückenspannung von null Volt geregelt wird.Furthermore, the magnetic field sensor device 10 includes a control device 5, which receives the measurement signal from the measurement device 4 and generates a control signal based on the measurement signal. The compensation device 3 is controlled with the control signal. The control device 5 generates the control signal in such a way that the DC component of the measurement signal is regulated to a predetermined value. In particular, it can be provided that the measurement signal is essentially regulated to a symmetrical curve around a bridge voltage of zero volts.

Schließlich umfasst die Magnetfeldsensorvorrichtung 10 eine Auswerteeinrichtung 6, welche anhand des von der Erregereinrichtung 2 angelegten Erregerstroms und des von der Messeinrichtung 4 ausgegebenen Messsignals eine Stärke eines externen Magnetfeldes ermittelt.Finally, the magnetic field sensor device 10 includes an evaluation device 6 which determines the strength of an external magnetic field based on the excitation current applied by the excitation device 2 and the measurement signal output by the measuring device 4 .

Die Auswerteeinrichtung 6 ermittelt zur Bestimmung des Magnetfelds denjenigen Erregerstrom, bei dem die Wheatstone-Brückenschaltung ihren Arbeitspunkt wechselt. Wirkt ein externes Magnetfeld auf die Wheatstone-Brückenschaltung ein, verändert sich der notwendige Erregerstrom für den Arbeitspunktwechsel.To determine the magnetic field, the evaluation device 6 determines that excitation current at which the Wheatstone bridge circuit changes its operating point. If an external magnetic field acts on the Wheatstone bridge circuit, the excitation current required for the operating point change changes.

Wie in 1 gezeigt, schließen eine Magnetisierung der fixierten Lage 71 sowie eine Magnetisierungsrichtung der freien Lage 72 einen Winkel ein. Jeweils zwei der TMR-Elemente 11, 14 weisen eine erste freie Magnetisierungsrichtung auf, während die beiden weiteren TMR-Elemente 12, 13 eine bezüglich der Magnetisierung der freien Lage 72 gespiegelte zweite freie Magnetisierungsrichtung aufweisen. Die Magnetisierung der freien Lage 72 der TMR-Elemente 11 bis 14 ist für die beiden Arbeitspunkte entlang der Magnetisierungsrichtung positiv oder negativ, d. h. um 180 Grad versetzt ausgerichtet. Die tatsächlich auftretende Magnetisierung hängt von dem magnetischen Wechselfeld der Erregereinrichtung 2 und dem magnetischen Gleichfeld der Kompensationsvorrichtung 3 sowie fehlerhaften Abweichungen im Steuersignal vom idealen Steuersignal, das für die Kompensation des externen Magnetfelds notwendig wäre, der Regeleinrichtung 6 ab.As in 1 shown, a magnetization of the fixed layer 71 and a magnetization direction of the free layer 72 enclose an angle. Two of the TMR elements 11, 14 each have a first free magnetization direction, while the two other TMR elements 12, 13 have a second free magnetization direction that is mirrored with respect to the magnetization of the free layer 72. The magnetization of the free layer 72 of the TMR elements 11 to 14 is aligned positively or negatively for the two working points along the direction of magnetization, ie offset by 180 degrees. The magnetization actually occurring depends on the alternating magnetic field of the excitation device 2 and the constant magnetic field of the compensation device 3 as well as erroneous deviations in the control signal from the ideal control signal, which would be necessary for the compensation of the external magnetic field, of the control device 6 .

In dem in 1 gezeigten Zustand (erster Arbeitspunkt) zeigt die Magnetisierung der TMR-Elemente 11 bis 14 jeweils in eine erste Richtung. Durch die Ausrichtung der TMR-Elemente 11 bis 14 ergibt sich eine Sensierrichtung x. Die Magnetfeldsensoreinrichtung 10 ermöglicht es, die Magnetfeldstärke eines äußeren Magnetfeldes entlang der Sensierrichtung x zu bestimmen.in the in 1 The state shown (first operating point) shows the magnetization of the TMR elements 11 to 14 in a first direction. The orientation of the TMR elements 11 to 14 results in a sensing direction x. The magnetic field sensor device 10 makes it possible to determine the magnetic field strength of an external magnetic field along the sensing direction x.

In 2 ist ein weiterer Zustand (zweiter Arbeitspunkt) der Magnetfeldsensorvorrichtung 10 illustriert. Hierbei zeigt die Magnetisierung der TMR-Elemente 11 bis 14 jeweils in die der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung.In 2 a further state (second operating point) of the magnetic field sensor device 10 is illustrated. In this case, the magnetization of the TMR elements 11 to 14 in each case points in the second direction, which is opposite to the first direction.

Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. Insbesondere kann jedes Widerstandselement R1 bis R4 aus einer Vielzahl von in Reihe und/oder parallel geschalteten TMR-Elementen 11 bis 14 aufgebaut sein.The invention is not limited to the embodiment shown. In particular, each resistance element R1 to R4 can be constructed from a large number of TMR elements 11 to 14 connected in series and/or in parallel.

3 zeigt verschiedene mögliche geometrische Ausgestaltungen der freien Lage 72 der TMR-Elemente 11 bis 14. Von links nach rechts kann die freie Lage eine ovale freie Lage 72a, eine rechteckige freie Lage 72b, eine rautenförmig freie Lage 72c oder eine linsenförmige freie Lage 72d sein. 3 12 shows various possible geometric configurations of the free layer 72 of the TMR elements 11 to 14. From left to right, the free layer can be an oval free layer 72a, a rectangular free layer 72b, a diamond-shaped free layer 72c or a lenticular free layer 72d.

4 zeigt schematische Illustrationen zur Erläuterung der Magnetisierung in der freien Lage 72. Gezeigt ist eine Achse A, welche eine Symmetrieachse bzw. Hauptachse der freien Lage 72 ist. Links unten ist eine erste Ausrichtung der Magnetisierung der freien Lage 72 illustriert und rechts unten eine zweite Ausrichtung in einer entgegengesetzten Richtung. Zwischen diesen Magnetisierungsrichtungen der freien Lage 72 wird aufgrund des angelegten magnetischen Wechselfeldes periodisch gewechselt. 4 shows schematic illustrations for explaining the magnetization in the free layer 72. An axis A, which is an axis of symmetry or main axis of the free layer 72, is shown. A first orientation of the magnetization of the free layer 72 is illustrated on the lower left and a second orientation in an opposite direction on the lower right. There is a periodic changeover between these directions of magnetization of the free layer 72 due to the applied alternating magnetic field.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines TMR-Elements mit einer magnetischen fixierten Lage 71, welche entlang einer ersten Richtung magnetisiert ist, sowie der magnetischen freien Lage 72, welche in positiver oder negativer Richtung entlang einer zweiten Richtung magnetisiert ist, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung einen Winkel φ einschließen. 5 FIG. 12 shows a schematic representation of a TMR element with a magnetic fixed layer 71 magnetized along a first direction and the magnetic free layer 72 magnetized in a positive or negative direction is magnetized along a second direction, the first direction and the second direction including an angle φ.

Die fixierte Lage 71 weist eine im Wesentlichen feste Magnetisierung auf, welche nicht oder nur schwach von einem externen Magnetfeld abhängig ist. Die fixierte Lage 71 und die freie Lage 72 sind durch eine elektrisch nicht leitfähige Barriere, die auch Sperrschicht oder Tunnelbarriere genannt wird, getrennt. Die Fixierte Lage 71 ist magnetisch in einer Vorzugsrichtung eingestellt, während die freie Lage 72 magnetisch weitestgehend frei ist. Der Winkel φ zwischen den Magnetisierungsrichtungen der beiden magnetischen Schichten bestimmt den resultierenden ohmschen Widerstand des Tunnelmagnetwiderstands. Abhängig vom wirkenden Magnetfeld ändert sich dieser Winkel φ und damit der Widerstand, sodass die Auswerteeinrichtung 6 die Magnetfeldstärke des externen Magnetfeldes bestimmen kann.The fixed layer 71 has an essentially fixed magnetization, which is not or only weakly dependent on an external magnetic field. The fixed layer 71 and the free layer 72 are separated by an electrically non-conductive barrier, also called a barrier layer or tunnel barrier. The fixed layer 71 is set magnetically in a preferred direction, while the free layer 72 is magnetically largely free. The angle φ between the directions of magnetization of the two magnetic layers determines the resulting ohmic resistance of the tunneling magnetoresistance. Depending on the acting magnetic field, this angle φ and thus the resistance changes, so that the evaluation device 6 can determine the magnetic field strength of the external magnetic field.

6 zeigt eine Abhängigkeit des Widerstands R von dem Winkel φ zwischen den Magnetisierungsrichtungen der freien Lage und der fixierten Lage eines TMR-Elements. Ein Winkel φ von 0 Grad entspricht einer parallelen Ausrichtung der Magnetisierungsrichtungen mit einem ersten Widerstandswert RTT. Mit größer werdendem Winkel φ steigt der Widerstandswert über einen Widerstandswert R0 bis zu einem Maximalwert R↑↓, bei einem Winkel von 180 Grad an, entsprechend einer antiparallelen Ausrichtung. 6 shows a dependence of the resistance R on the angle φ between the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of a TMR element. An angle φ of 0 degrees corresponds to a parallel alignment of the magnetization directions with a first resistance value RTT. As the angle φ increases, the resistance value increases above a resistance value R0 up to a maximum value R↑↓ at an angle of 180 degrees, corresponding to an anti-parallel orientation.

7 zeigt eine schematische Darstellung eines TMR-Elements mit einer Magnetfeldeinrichtung 21. Illustriert sind die fixierte Lage 71, die freie Lage 72 sowie parallel verlaufende elektrische Leiter, welche die Magnetfeldeinrichtung 21 bilden, und von einem Strom i durchflossen sind. Der Strom erzeugt ein magnetisches Wechselfeld und/oder Gleichfeld, welches auf die Magnetisierung der freien Lage 72 einwirkt. 7 1 shows a schematic representation of a TMR element with a magnetic field device 21. Illustrated are the fixed layer 71, the free layer 72 and parallel electrical conductors which form the magnetic field device 21 and through which a current i flows. The current generates an alternating magnetic field and/or a constant field, which acts on the magnetization of the free layer 72 .

Um einen festen magnetischen Referenzpunkt einzustellen, wird gezielt eine geometrische Anisotropie der freien Lage 72 durch ein Aspektverhältnis ungleich 1 zwischen Länge und Breite einer im Wesentlichen in der Ebene ausgebildeten Struktur eingestellt. Bei Wegfall eines zusätzlichen Magnetfeldes richtet sich die freie Lage 72 entlang der durch die Anisotropie vorgegebenen Vorzugsachse aus. Da die Anisotropie lediglich eine Richtung vorgibt, stellen sich zwei stabile Arbeitspunkte ein, die jeweils um 180° zueinander verdreht sind.In order to set a fixed magnetic reference point, a geometric anisotropy of the free layer 72 is set in a targeted manner by an aspect ratio unequal to 1 between length and width of a structure formed essentially in the plane. If there is no additional magnetic field, the free layer 72 aligns itself along the preferred axis specified by the anisotropy. Since the anisotropy only specifies one direction, there are two stable working points, each rotated by 180° to one another.

Die Stabilität eines einzelnen TMR-Elements 11 bis 14, d.h. die Amplitude des Magnetfelds, welches notwendig ist, um den jeweils anderen Arbeitspunkt anzufahren, lässt sich über das Aspektverhältnis einstellen. Eine lange, aber schmale freie Lage 72 weist eine höhere Stabilität auf als eine freie Lage 72, welche in beiden Raumrichtungen annähernd gleiche geometrische Abmessungen besitzt.The stability of an individual TMR element 11 to 14, i.e. the amplitude of the magnetic field, which is necessary to move to the other operating point, can be adjusted via the aspect ratio. A long but narrow free layer 72 has greater stability than a free layer 72 which has approximately the same geometric dimensions in both spatial directions.

Wird mithilfe der Magnetfeldeinrichtung 21 ein Magnetfeld erzeugt, das stark genug ist, periodisch zwischen den beiden Arbeitspunkten der TMR-Elemente 11 bis 14 hin- und herzuwechseln, kann bei entsprechender Ausgestaltung der Wheatstone-Brückenschaltung über die sich einstellende Brückenausgangsspannung und der Kenntnis des für das Erreichen der beiden Arbeitspunkte notwendigen Erregerstroms das externe Magnetfeld ermittelt werden, welches zunächst überwunden werden muss, um den jeweils anderen Arbeitspunkt anzufahren.If the magnetic field device 21 is used to generate a magnetic field that is strong enough to periodically switch back and forth between the two operating points of the TMR elements 11 to 14, with an appropriate configuration of the Wheatstone bridge circuit, the resulting bridge output voltage and knowledge of the Reaching the two working points required excitation current, the external magnetic field can be determined, which must first be overcome in order to approach the other working point.

8 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausgangskennlinie einer Wheatstone-Brücke einer erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorvorrichtung 10. Aufgetragen ist die Ausgangsspannung bzw. Brückenspannung Vout als Funktion der Magnetfeldstärke des äußeren Magnetfelds B entlang der in 1 illustrierten Sensierrichtung. Eingezeichnet sind die Saturierungsspannungen V_sat und -V_sat relativ zu einer Ausgangsspannung Vout von null Volt. Bei ansteigendem Magnetfeld erhöht sich die Ausgangsspannung Vout entlang der Pfeilrichtung P ausgehend von der positiven Saturierungsspannung V_sat. Bei einer positiven oberen Magnetfeldstärke B_flip fällt die Ausgangsspannung Vout auf einen negativen Wert ab und nähert sich für größer werdende Magnetfeldstärken B von unten her der negativen Saturierungsspannung -V_sat. Umgekehrt verringert sich die Ausgangsspannung Vout von großen Magnetfeldstärken B kommend bis zu einer negativen unteren Magnetfeldstärke -B_flip, bei welcher die Magnetfeldstärke B auf einen positiven Wert springt. Der Verlauf der Ausgangsspannung Vout zeigt eine Hysterese. 8th shows a schematic representation of an output characteristic of a Wheatstone bridge of a magnetic field sensor device 10 according to the invention. The output voltage or bridge voltage Vout is plotted as a function of the magnetic field strength of the external magnetic field B along the in 1 illustrated sensing direction. The saturation voltages V _sat and -V _sat are plotted relative to an output voltage Vout of zero volts. As the magnetic field increases, the output voltage Vout increases along the direction of the arrow P, starting from the positive saturation voltage V _sat . With a positive upper magnetic field strength B _flip , the output voltage Vout drops to a negative value and approaches the negative saturation voltage −V _{sat from below for increasing magnetic field strengths B.} Conversely, the output voltage Vout decreases from high magnetic field strengths B coming down to a negative lower magnetic field strength −B _flip , at which the magnetic field strength B jumps to a positive value. The course of the output voltage Vout shows a hysteresis.

Zur Bestimmung des Magnetfelds zeichnet die Messeinrichtung 4 den Erregerspulenstrom und die Brückenspannung der Wheatstone-Brückenschaltung auf und vermerkt, bei welchem Erregerstrom die Wheatstone-Brückenschaltung ihren Arbeitspunkt wechselt. Wirkt ein externes Magnetfeld auf die Wheatstone-Brückenschaltung ein, verändert sich der notwendige Erregerstrom für den Arbeitspunktwechsel.To determine the magnetic field, the measuring device 4 records the exciter coil current and the bridge voltage of the Wheatstone bridge circuit and notes the exciter current at which the Wheatstone bridge circuit changes its operating point. If an external magnetic field acts on the Wheatstone bridge circuit, the excitation current required for the operating point change changes.

Weiter kann die von der Regeleinrichtung 5 gesteuerte Kompensationseinrichtung 3 einen Kompensationsstrom derart bereitstellen, dass auch bei Vorhandensein eines externen Magnetfelds die Arbeitspunkte symmetrisch um Null herum wechseln.Furthermore, the compensation device 3 controlled by the control device 5 can provide a compensation current in such a way that the operating points change symmetrically around zero even when an external magnetic field is present.

9 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Magnetfeldsensorvorrichtung 10. 9 shows a flowchart of a method for producing a magnetic field sensor device 10 according to the invention.

Hierzu wird in einem ersten Verfahrensschritt S1 in Dünnschichttechnologie eine Wheatstone-Brückenschaltung mit vier miteinander verschalteten Widerstandselementen R1 bis R4 bereitgestellt, wobei jedes Widerstandselement mindestens ein TMR-Element 11 bis 14 aufweist.For this purpose, a Wheatstone bridge circuit with four resistance elements R1 to R4 connected to one another is provided in a first method step S1 using thin-film technology, each resistance element having at least one TMR element 11 to 14 .

Weiter wird in einem Verfahrensschritt S2 eine Erregereinrichtung 2 zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds mit mindestens einer Magnetfeldeinrichtung bereitgestellt, etwa eine Spule oder eine Vielzahl paralleler elektrischer Leiter, welche vorzugsweise ebenfalls mittels eines Dünnschichtverfahrens hergestellt wird. Weiter wird eine Kompensationseinrichtung 3 zum Erzeugen eines magnetischen Gleichfelds bereitgestellt. Die Kompensationseinrichtung 3 kann eine separate Spule oder separate elektrische Leiter umfassen, welche bevorzugt ebenfalls mittels eines Dünnschichtverfahrens erzeugt werden. Die Kompensationseinrichtung 3 und die Erregereinrichtung 2 können jedoch auch dieselben Bauteile, etwa eine oder mehrere Spulen oder elektrische Leiter, umfassen.In a method step S2, an excitation device 2 for generating an alternating magnetic field with at least one magnetic field device is provided, such as a coil or a large number of parallel electrical conductors, which is preferably also produced using a thin-film process. A compensation device 3 for generating a magnetic constant field is also provided. The compensation device 3 can comprise a separate coil or separate electrical conductors, which are preferably also produced using a thin-film process. However, the compensation device 3 and the excitation device 2 can also include the same components, for example one or more coils or electrical conductors.

In einem Verfahrensschritt S3 wird eine Messeinrichtung 4 ausgebildet, welche die Brückenspannung der Wheatstone-Brückenschaltung misst. Eine Regeleinrichtung 5 wird ausgebildet, welche anhand des von der Messeinrichtung ausgegebenen Messsignals ein Steuersignal erzeugt, um die Kompensationseinrichtung 3 derart anzusteuern, dass ein Gleichanteil des Messsignals auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird. Schließlich wird eine Auswerteeinrichtung ausgebildet, welche anhand des Erregerstroms und des von der Messeinrichtung ausgegebenen Messsignals eine Stärke eines externen Magnetfeldes ermittelt.In a method step S3, a measuring device 4 is formed, which measures the bridge voltage of the Wheatstone bridge circuit. A control device 5 is formed, which uses the measurement signal output by the measurement device to generate a control signal in order to control the compensation device 3 in such a way that a DC component of the measurement signal is regulated to a predetermined value. Finally, an evaluation device is formed, which uses the excitation current and the measurement signal output by the measuring device to determine the strength of an external magnetic field.

Claims

Magnetic field sensor device (10), comprising: four resistance elements (R1 to R4) connected to form a Wheatstone bridge circuit, each resistance element (R1 to R4) having at least one magnetic tunneling resistance, TMR, element, each TMR element (11-14) having an electrically conductive fixed layer ( 71), an electrically conductive free layer (72; 72a-72d) and an electrically insulating tunnel barrier separating the fixed layer (71) and the free layer (72; 72a-72d), the free layer (72; 72a-72d ) has an anisotropic geometric shape; an excitation device (2) with at least one magnetic field device (21), wherein the excitation device (2) is designed to, by energizing the at least one magnetic field device (21) with an excitation current for each resistance element (R1 to R4), an effect on the resistance element (R1 to R4) to generate an acting magnetic alternating field; a compensation device (3) which is designed to generate a direct magnetic field acting on the resistance element (R1 to R4) for each resistance element (R1 to R4); a measuring device (4) which is designed to output a measuring signal as a function of a bridge voltage of the Wheatstone bridge circuit; a control device (5) which is designed to generate a control signal based on the measurement signal output by the measurement device (4) in order to control the compensation device (3) in such a way that a direct component of the measurement signal is regulated to a predetermined value; and an evaluation device (6) which is designed to determine the strength of an external magnetic field based on the excitation current and the measurement signal output by the measuring device (4).

Magnetic field sensor device (10) after claim 1 , wherein the free layer (72; 72a-72d) is formed symmetrically with respect to two main axes, wherein an extension of the free layer (72; 72a-72d) along the main axes differs for the two main axes.

Magnetic field sensor device (10) after claim 2 , wherein the free layer (72; 72a-72d) is oval, rectangular, diamond-shaped or lens-shaped.

Magnetic field sensor device (10) according to one of the preceding claims, wherein the magnetic field device (21) has at least one coil or at least one electrical conductor, wherein the excitation device (2) is designed to supply the at least one coil or the at least one electrical conductor with the excitation current energize to generate the alternating magnetic field.

Magnetic field sensor device (10) after claim 4 , wherein the at least one coil or the at least one electrical conductor runs transversely to the direction of magnetization of the free layer (72) of the at least one TMR element (11-14).

Magnetic field sensor device (10) according to one of the preceding claims, wherein the exciter device (2) comprises the compensation device (3), and wherein an alternating component of the exciter current generates the alternating magnetic field and wherein a DC component of the excitation current generates the DC magnetic field.

Magnetic field sensor device (10) according to one of the preceding claims, wherein each resistance element (R1 to R4) has a multiplicity of parallel and/or series-connected TMR elements (11-14).

Magnetic field sensor device (10) according to one of the preceding claims, wherein the control device (5) is designed to control the compensation device (3) in such a way that the measurement signal is essentially symmetrical about a bridge voltage of zero volts.

Magnetic field sensor device (10) according to one of the preceding claims, wherein the excitation device (2) and the compensation device (3) are produced by means of thin-film processes.

Method for producing a magnetic field sensor device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that at least the exciter device (2) and the compensation device (3) are produced by means of a thin-film method.

Method for operating a magnetic field sensor device (10) according to one of Claims 1 until 9 , wherein the magnetic field sensor device (10) • has four resistance elements (R1 to R4) connected to form a Wheatstone bridge circuit, • an excitation device (2) with at least one magnetic field device (21), • a compensation device (3), • a measuring device (4) , • a control device (5), and • an evaluation device (6), wherein the method • energizes the at least one magnetic field device (21) with an excitation current in such a way that for each resistance element (R1 to R4) an on-resistance element (R1 to R4) acting magnetic alternating field is generated; and • for each resistance element (R1 to R4) generates a direct magnetic field acting on the resistance element (R1 to R4); • outputs a measurement signal as a function of a bridge voltage of the Wheatstone bridge circuit; • a control signal is generated on the basis of the measurement signal output by the measurement device (4) in order to control the compensation device (3) in such a way that a direct component of the measurement signal is regulated to a predetermined value; and • a strength of an external magnetic field is determined on the basis of the excitation current and the measurement signal output by the measurement device (4).