DE10250319A1

DE10250319A1 - Einrichtung zur Erfassung der Rotation einer Welle und GMR-Schichtsystem

Info

Publication number: DE10250319A1
Application number: DE2002150319
Authority: DE
Inventors: Peter Schmollngruber; Ingo Herrmann; Henrik Siegle; Hartmut Kittel; Paul Farber; Ulrich May
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2003-10-30

Abstract

Es wird eine Einrichtung (50) zur Erfassung der Rotation einer Welle (40), insbesondere hinsichtlich Drehwinkel, Rotationsgeschwindigkeit und/oder Drehrichtung, vorgeschlagen. Dazu ist die Welle (40) mit einem auf der Oberfläche einer Stirnseite (41) der Welle (40) angebrachten oder einem im Bereich der Oberfläche der Stirnseite (41) der Welle (40) integrierten Gebermagneten (43) sowie mit einem gegenüber der Stirnseite (41) der Welle (40) von dem Gebermagneten (43) beabstandet angeordneten GMR-Sensorelement (32) versehen, auf das ein von dem Gebermagneten (43) erzeugtes Magnetfeld einwirkt. Daneben stellt das GMR-Sensorelement (32) unter dem Einwirken des Magnetfeldes, als Funktion eines Drehwinkels der Welle (40), ein Messsignal bereit, das über den gesamten Winkelbereich von 0 DEG bis 360 DEG eindeutig dem Drehwinkel der Welle (40) zuordbar ist. Weiter wird ein für diese Einrichtung (50) besonders geeignetes GMR-Schichtsystem (11, 12), insbesondere nach dem Spin-Valve-Prinzip mit einem künstlichen Antiferromagneten (7), vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung der Rotation einer Welle, insbesondere hinsichtlich Drehwinkel, Rotationsgeschwindigkeit und/oder Drehrichtung, sowie ein GMR-Schichtsystem, insbesondere zur Verwendung in dieser Einrichtung.

Stand der Technik

Zur Messung magnetischer Größen wie Weg, Geschwindigkeit, Winkel oder Winkelgeschwindigkeit werden vielfach magnetische Messverfahren eingesetzt. Am Verbreitetsten ist die Erfassung eines linearen oder ringförmigen Encoders wie eines Zahnrades, der bevorzugt aus einem Material hoher magnetischer Suszeptibilität gefertigt ist, wobei über eine geometrische Modulation des Encoders ein Magnetfeld eines in der Nähe befindlichen Magneten moduliert und über einen magnetischen Sensor die Modulation des Encoders berührungslos detektiert wird. Alternativ kann der Encoder, der beispielsweise eine Abfolge von magnetischen Nord- und Südpolen aufweist, auch aktiv ein Magnetfeld erzeugen, das über eine Erfassungseinrichtung erfasst wird.
Daneben sind aus dem Stand der Technik auch analoge Verfahren zur Messung von Winkel oder Position bekannt. Beispielsweise ist bekannt, zur Messung eines Winkels oder der Drehgeschwindigkeit einer Welle an deren Ende einen zweipoligen Gebermagneten anzubringen, und in einer festgelegten Entfernung von dem Gebermagneten das von diesem erzeugte Magnetfeld, dessen Richtung den jeweiligen Winkel der Welle relativ zu einer Referenzposition anzeigt, über einen Magnetsensor zu erfassen. Auf diese Weise ist ein berührungslos arbeitender Wellenenden-Winkelsensor realisierbar.
Derartige Wellenenden-Winkelsensoren werden nach dem Stand der Technik entweder mit Hall-Sensoren oder gemäß DE 100 42 006 A 1 auch mit AMR-Sensoren (AMR = "Anisotropic Magneto Resistance") ausgeführt.
Bei Hall-Sensorelementen tritt die Schwierigkeit einer relativ starken Temperaturabhängigkeit des Messsignals auf, was die erreichbare Genauigkeit beschränkt. Soll diese Temperaturabhängigkeit kompensiert werden, ist eine relativ aufwändige elektronische Auswerteschaltung und die Erfassung der Umgebungstemperatur erforderlich, was die Kosten erheblich erhöht.
Eine höhere Genauigkeit als mit Hall-Sensoren wird mit AMR-Sensorelementen erreicht. Hierbei wird ausgenutzt, dass in magnetischen Materialien der elektrische Widerstand gemäß der Beziehung R = R₀ + R_AMR (1 - cos²α) von dem Winkel α zwischen der Stromrichtung und der Richtung eines äußeren Magnetfeldes abhängt. Auf Grund der 180°-Periodizität des AMR-Effektes kann nur eine eindeutige Zuordnung des zu erfassenden Winkels im Bereich zwischen 0° und 180° erfolgen. Um einen Winkel im Bereich zwischen 0° und 360° eindeutig messen zu können, sind aufwändige Hilfsmittel erforderlich, wie dies in DE 100 42 006 A1 oder auch DE 198 39 446 A1 beschrieben ist.
Seit 1988 ist weiter der sogenannte GMR-Effekt (GMR = Giant Magneto Resistance") bekannt, der eine Änderung des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld beschreibt. Der GMR-Effekt tritt auf, wenn eine Abfolge extrem dünner magnetischer Schichten durch ebenfalls dünne nicht magnetische Schichten getrennt werden und die magnetischen Schichten in Abhängigkeit eines äußeren Magnetfeldes unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen relativ zueinander aufweisen.
Eine spezielle Klasse von GMR-Schichtsystemen oder GMR-Sensorelementen sind die sogenannten "Spin-Valves", bei denen eine oder mehrere magnetische Schichten in ihrer Magnetisierungsrichtung festgehalten werden. Dieses Festhalten wird bevorzugt über den Exchange-Bias-Effekt erreicht, der über eine benachbarte antiferromagnetische Schicht induziert wird. Weiter sind in diesem Fall stets eine oder mehrere magnetische Schichten derart ausgeführt, dass sich ihre Magnetisierungsrichtungen frei einstellen und damit zumindest weitgehend einem äußeren Magnetfeld hinsichtlich der Magnetisierungsrichtung folgen können.
Bei einem GMR-Schichtsystem mit einer festgehaltenen Schicht und einer freien Schicht ändert sich der elektrische Widerstand des Schichtsystems mit der Richtung des äußeren Magnetfeldes gemäß R = R₀ + S R_GMR (cosθ), wobei θ den Winkel zwischen der Magnetisierungsrichtung der festgehaltenen Schicht und der Richtung des äußeren Magnetfeldes bezeichnet. Diese Beziehung gilt jedoch nur, sofern das äußere Magnetfeld nicht derart groß ist, dass es das Festhalten der festgehaltenen Schicht überwindet und auch die Magnetisierungsrichtung der festgehaltenen Schicht in die Richtung des äußeren Magnetfeldes dreht.
Schließlich ist es üblich, magnetoresistive Sensorelemente auf der Grundlage des GMR- Effektes in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung miteinander zu verschalten, um den Einfluss von Störgrößen wie der Temperatur von dem eigentlichen Messsignal zu trennen. Dies ist in DE 100 42 006 A1 im Zusammenhang mit AMR-Sensorelementen beschrieben, und wird in WO 00/79298 A2 detailliert im Zusammenhang mit GMR- Sensorelementen erläutert. Insbesondere ist aus WO 00/79298 A2 bekannt, einen Magnetfeldsensor mit zwei in Serie geschalteten Wheatstone'schen Brückenschaltungen auszuführen, wobei die einzelnen Widerstände der Wheatstone-Brücken jeweils als magnetoresistive Schichtsysteme auf der Grundlage des GMR-Effektes nach dem Spin-Valve- Prinzip ausgebildet sind. Zudem werden dort die einzelnen magnetoresistiven Schichtsysteme auf der Grundlage des GMR-Effektes nach dem Spin-Valve-Prinzip mit einem sogenannten künstlichen Antiferromagneten als Referenzschicht bzw. festgehaltene Schicht ausgeführt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung einer Einrichtung zur Erfassung der Rotation einer Welle, insbesondere hinsichtlich Drehwinkel, Rotationsgeschwindigkeit und/oder Drehrichtung, die eine eindeutige Erfassung des Winkels bzw. der Drehrichtung in jeder beliebigen Ausgangslage der Welle ohne Einsatz von zusätzlichen Referenzmarken ermöglicht. Insbesondere soll diese Einrichtung zur Erkennung des Winkels einer Welle wie einer Lenksäule oder einer Kurbelwelle in einem Kraftfahrzeug einsetzbar sein. Weiter war es Aufgabe, ein dazu besonders geeignetes GMR- Schichtsystem bereit zu stellen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erfassung der Rotation einer Welle hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass sie sich sehr gut zum Einsatz zur Erfassung eines Drehwinkels, einer Rotationsgeschwindigkeit und/oder einer Drehrichtung einer Lenksäule oder einer Kurbelwelle im Kraftfahrzeug einsetzen lässt, und dass sie dabei über den gesamten Winkelbereich von 0° bis 360° ein Messsignal bereitstellt, das eindeutig dem Drehwinkel der Welle zuordenbar ist, so dass auf Referenzmarken, ähnliche Hilfsmittel oder sonstige Vorrichtungen zur Erfassung einer zuletzt eingenommenen Position der Welle verzichtet werden kann.
Daneben hat die erfindungsgemäße Einrichtung gegenüber einer Einrichtung mit einem Hall-Sensorelement den Vorteil einer geringen Temperaturabhängigkeit des bereit gestellten Messsignals, sowie gegenüber einer Einrichtung mit einem AMR-Sensorelement den Vorteil eines Eindeutigkeitsbereiches von 360° gegenüber lediglich 180°, ohne dass dazu aufwändige weitere Hilfsmittel erforderlich wären. Gegenüber Einrichtungen mit magnetoresistiven Sensorelementen in AMR-Technologie, die einen 360°-Eindeutigkeitsbereich aufweisen, hat die erfindungsgemäße Einrichtung den Vorteil einer einfacheren Fertigung und einer vereinfachten Signalverarbeitung.
Das erfindungsgemäße GMR-Schichtsystem ist besonders langzeitstabil und sensitiv, um in einer derartigen Einrichtung zur Erfassung der Rotation einer Welle, insbesondere in Kraftfahrzeugen, eingesetzt werden zu können.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So ergibt sich aus dem Aufbau des GMR-Sensorelementes mit einer Mehrzahl von nach dem Spin-Valve-Prinzip arbeitenden GMR-Schichtsystemen und unter Verwendung eines künstlichen Antiferromagneten als Referenzschicht oder Teil der Referenzschicht der Vorteil einer erhöhten Einsatztemperatur von bis zu 190°C. Insbesondere wird gegenüber dem Winkelsensorelement gemäß WO 00/79298 A2, das bereits bei Einsatztemperaturen von 175°C einen deutlichen Signalverlust zeigt, eine verbesserte Stabilität des Messsignals auch bei Einsatztemperaturen bis 190°C erreicht. Dies bedeutet vor allem, dass auch bei einer hohen Feldstärke des externen Magnetfeldes und gleichzeitig einer derart hohen Einsatztemperatur die Einrichtung bzw. das darin integrierte GMR-Sensorelement nicht degradiert bzw. geschädigt wird, so dass es sich auch zum Einsatz in Kraftfahrzeugen eignet, wo besondere Anforderungen an Langzeitstabilität, Temperaturstabilität und Robustheit gestellt werden. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang im Übrigen, wenn das nach dem Spin-Valve-Prinzip arbeitende GMR-Schichtsystem eine antiferromagnetische Schicht aus PtMn aufweist.
Weiter wird nun vorteilhaft erreicht, dass der Feldbereich des Magnetfeldes, in dem die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht oder der freien Schichten, nicht aber die Magnetisierungsrichtung der festgehaltenen Schichten oder Schichten dem äußeren Magnetfeld folgt, möglichst groß ist. In der Regel beträgt dieser Bereich auch bei erhöhter Umgebungstemperatur von typischerweise bis 190°C nunmehr 1 mlesla bis 100 mlesla.
Bei üblichen Wellenenden-Winkelsensoren kann eine hohe Winkelgenauigkeit nur dann erreicht werden, wenn ein vergleichsweise kostenintensiver Gebermagnet eingesetzt wird, der ein möglichst starkes Magnetfeld von in der Regel etwa 100 mlesla erzeugt. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Erfassung der Rotation einer Welle ist hingegen ein derart starkes Magnetfeld des Gebermagneten weder erforderlich noch besonders vorteilhaft. So führt ein starkes Geberfeld zwar zu einer sehr weit gehenden Ausrichtung der Magnetisierungsrichtung der "freien" Schicht in diesem äußeren Magnetfeld parallel zu dem äußeren Magnetfeld, andererseits muss dabei aber gewährleistet bleiben, dass die Magnetisierungsrichtung der festgehaltenen Schicht oder Referenzschicht diesem äußeren Magnetfeld nicht folgt, so dass unter diesem Aspekt ein eher schwaches Magnetfeld des Gebermagneten vorteilhaft scheint.
Durch die sehr hohe Sensitivität des eingesetzten GMR-Sensorelementes gegenüber dem äußeren Magnetfeld und einem vergleichsweise störungsfreien und leicht auswertbaren Messsignal lässt sich dieser Konflikt lösen. So kann nun ein preiswerter Gebermagnet eingesetzt werden, der vergleichsweise schwache Magnetfelder unterhalb von 100 mTesla erzeugt. Insbesondere wird es nunmehr möglich, an Stelle bisher vielfach eingesetzter metallischer Gebermagnete wie NdFeB-Magnete, CoSm-Magnete oder AlNiCo-Magnete, Gebermagnete einzusetzen, die am Ort des GMR-Sensorelementes ein Magnetfeld mit einer Feldstärke von 1 mT bis 20 mT erzeugen, und die aus einem gegenüber den genannten Materialien wesentlich preiswerteren Material wie beispielsweise einem Ferrit, insbesondere einem Bariumferrit oder einem Strontiumferrit, bestehen. Die Möglichkeit, derartige Gebermagnete einzusetzen, macht die Einrichtung zur Erfassung der Rotation einer Welle insgesamt kostengünstiger. Ein besonders vorteilhaftes Material des Gebermagneten ist das Bariumferrit BaFe₁₂O₁₉ oder das Strontiumferrit SrFe₁₂O₁₉.
Durch die Aufmagnetisierung des Gebermagneten in einem von einem einzelnen Stromleiter erzeugten Magnetfeld, durch das der Gebermagnet in seinem Inneren einen wannenförmigen oder zylindersymmetrischen Verlauf der die Magnetisierung repräsentierenden Magnetfeldlinien aufweist, wobei diese bevorzugt weiter derart ausgebildet sind, dass sie im Inneren des Gebermagneten bezüglich einer parallel zu der Oberfläche des Gebermagneten orientierten Achse symmetrisch verlaufen, ergibt sich der Vorteil, dass sich am Ort des GMR-Sensorelementes der Einrichtung bei gegebenen Materialeigenschaften des Gebermagneten und gegebener Größe des Gebermagneten ein möglichst hohes und gleichzeitig homogenes Magnetfeld am Ort des GMR-Sensorelementes einstellt. Im Stand der Technik erfolgt die Aufmagnetisierung der Gebermagnete demgegenüber in einem Magnetfeld, das durch zwei gegenüberliegende Stromleiter erzeugt wird.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass durch die vorgesehene Abschirmung der Einrichtung zur Erfassung der Rotation einer Welle gegenüber magnetischen Störfeldern einerseits das von dem Gebermagneten zu erzeugende Magnetfeld hinsichtlich seiner Stärke weiter reduziert werden kann, so dass der Gebermagnet weiter preiswerter und kleiner ausgeführt werden kann, und dass sich andererseits das von dem GMR-Sensorelement der Einrichtung bereit gestellte Messsignal durch besonders geringe Störungen auszeichnet. Insbesondere wird durch die Abschirmung erreicht, dass magnetische Störfelder, die die Richtung des Gebermagnetfeldes am Ort des GMR-Sensorelementes ändern oder verfälschen können, wodurch die Genauigkeit der Erfassung der Rotation der Welle beeinträchtigt wird, vermindert werden. Bevorzugt ist die genannte Abschirmung in Form eines das GMR-Sensorelement zumindest bereichsweise umgebenden Gehäuses ausgeführt, das einerseits ein zumindest näherungsweise ungedämpftes oder störungsfreies Einwirken des Magnetfeldes des Gebermagneten auf das GMR-Sensorelement ermöglicht, und das andererseits magnetische Störfelder effektiv von dem GMR-Sensorelement fernhält. Eine besonders effektive und gleichzeitig preiswerte und einfach realisierbare Abschirmung wird dadurch erreicht, dass ein Gehäuse aus Kunststoff vorgesehen ist, wobei der Kunststoff mit magnetischen Partikel oder magnetischem Material, insbesondere Eisengranulat oder Eisenpulver, versetzt oder vermischt ist. Eine derartige Abschirmung weist weichmagnetische Eigenschaften auf, so dass Störfelder ferngehalten werden.
Hinsichtlich der Anordnung des Gebermagneten und des GMR-Sensorelementes relativ zueinander ist vorteilhaft, wenn sowohl Gebermagnet als auch GMR-Sensorelement im Wesentlichen flächig ausgebildet und sich einander gegenüber angeordnet sind. Dabei ist der Gebermagnet bevorzugt symmetrisch zur Symmetrieachse der Welle auf oder im Bereich der Oberfläche der Stirnseite der Welle angeordnet. Entsprechend wird auch das Sensorelement bevorzugt symmetrisch zur Symmetrieachse der Welle gegenüber dem Gebermagneten angeordnet.
Bei dem GMR-Sensorelement ist vorteilhaft, wenn dieses vier GMR-Schichtsysteme aufweist, die in einer ersten Wheatstone'schen Brückenschaltung miteinander verschaltet sind, und vier GMR-Schichtsysteme aufweist, die in einer zweiten Wheatstone'schen Brückenschaltung miteinander verschaltet sind, wobei die erste Brückenschaltung und die zweite Brückenschaltung jeweils unter dem Einfluss des Magnetfeldes des Gebermagnets stehen und ein Signal bereit stellen, das gegenüber dem Signal der jeweils anderen Brückenschaltung um 90° oder 270° phasenverschoben ist. Besonders vorteilhaft sind die erste Brückenschaltung und die zweite Brückenschaltung parallel zueinander geschaltet. Dies vergrößert das Messsignal und vereinfacht die Auswertung. Zudem ist vorteilhaft, wenn benachbart zu dem GMR-Sensorelement eine elektronische Auswerteschaltung integriert ist, die sich in dem Gehäuse des GMR-Sensorelementes bzw. innerhalb des von der Abschirmung erfassten Bereiches befindet. Dadurch ergibt sich ein besonders kompakter und wenig störanfälliger Aufbau.
Schließlich ist vorteilhaft, wenn das Gehäuse bzw. die Abschirmung derart ausgeführt ist, dass die Stirnseite der Welle mit dem Gebermagneten in diese bzw. dieses eingreift. Dazu ist das Gehäuse bzw. die Abschirmung bevorzugt topfartig ausgebildet, wobei sich der Gebermagnet zumindest teilweise innerhalb des von diesem Topf definierten Raumes befindet.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Schnitt durch ein GMR-Schichtsystem nach dem Spin-Valve-Prinzip, Fig. 2 einen gegenüber Fig. 1 modifizierten Schichtaufbau mit einem künstlichen Antiferromagneten im Rahmen eines ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 3 einen zu Fig. 2 modifizierten Schichtaufbau mit zwei Referenzschichten, die durch einen künstlichen Antiferromagneten realisiert sind, Fig. 4 die magnetische Kennlinie eines GMR-Schichtsystems gemäß Fig. 2, Fig. 5 eine weitere magnetische Kennlinie eines GMR-Schichtsystems gemäß Fig. 2 bei gegenüber Fig. 4 schwächeren Magnetfeldern, Fig. 6 eine Anordnung yon vier GMR-Schichtsystemen zu einer Wheatstone'schen Brückenschaltung, Fig. 7 die Parallelschaltung von zwei Wheatstone'schen Brückenschaltungen ausgehend von Fig. 6 zu dem GMR-Sensorelement, Fig. 8 einen Schnitt durch einen wannenförmig aufmagnetisierten Gebermagneten und den sich dadurch einstellende Feldverlauf am Ort des GMR-Sensorelementes und Fig. 9 die Einrichtung zur Erfassung der Rotation einer Welle im Schnitt.

Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes erstes magnetoresistives Schichtsystem 10, das einen GMR-Effekt zeigt und auf der Grundlage des Spin-Valve- Prinzips arbeitet. Dabei ist eine antiferromagnetische Schicht 1, eine Referenzschicht 2, eine nichtmagnetische Zwischenschicht 3 und eine Detektionsschicht 4 vorgesehen.
Die Fig. 2 zeigt im Rahmen eines ersten Ausführungsbeispiels ein zweites magnetoresistives Schichtsystem 11, das sich, wie im Weiteren erläutert, in einem GMR-Sensorelement 32 verschalten und in eine Einrichtung zur Erfassung der Rotation einer Welle 50 integrieren lässt.
Im Einzelnen zeigt Fig. 2 auf einem nicht dargestellten Substrat und auf einer gegebenenfalls vorgesehenen Wachstumsschicht eine antiferromagnetische Schicht 1, die aus PtMn ausgebildet ist und eine Dicke von 10 nm bis 50 nm aufweist. Auf der antiferromagnetischen Schicht 1 befindet sich eine erste Teilschicht 2a in Form einer festgehaltenen Schicht, die aus CoFe besteht und eine Dicke von 1 nm bis 4 nm, insbesondere 1 nm bis 3 nm, aufweist. Auf der ersten Teilschicht 2a befindet sich eine zweite Teilschicht 2b, die als Trennschicht ausgebildet ist und aus Ruthenium besteht. Sie weist eine Dicke von 0,6 nm bis 1 nm auf. Auf der zweiten Teilschicht 2b befindet sich eine dritte Teilschicht 2c, die erneut als festgehaltene Schicht oder Referenzschicht ausgebildet ist. Sie besteht aus CoFe und weist eine Dicke von 1 nm bis 4 nm, insbesondere 1 nm bis 3 nm auf. Auf der zweiten Teilschicht 2c befindet sich dann eine Zwischenschicht 3, die aus Kupfer besteht und eine Dicke von 2 nm bis 3 nm aufweist. Auf der Zwischenschicht 3 befindet sich eine Detektionsschicht 4, die bevorzugt aus zwei Teilschichten aufgebaut ist. Die erste Teilschicht der Detektionsschicht 4, die zu der Zwischenschicht 3 benachbart ist, besteht bevorzugt aus CoFe mit einer Dicke von 0,5 nm bis 5 nm, insbesondere 1 nm bis 5 nm. Auf dieser ersten Teilschicht befindet sich dann eine zweite Teilschicht der Detektionsschicht, die aus NiFe besteht und eine Dicke von 0,5 nm bis 6 nm aufweist. Auf diese NiFe-Schicht kann gegebenenfalls auch verzichtet werden. Schließlich befindet sich auf der Detektionsschicht 4 bei Bedarf eine Deckschicht, die beispielsweise aus Tantal besteht und die in Fig. 2 nicht dargestellt ist.
Im Übrigen kann der Schichtaufbau gemäß Fig. 2 auch gespiegelt sein, d. h. auf dem Substrat und der gegebenenfalls vorgesehenen Wachstumsschicht befindet sich die Detektionsschicht 4, darauf die Zwischenschicht 3, darauf die Teilschichten 2a, 2b und 2c und darauf dann die antiferromagnetische Schicht 1, auf der sich gegebenenfalls die Deckschicht befindet.
Die erste Teilschicht 2a, die zweite Teilschicht 2b und die dritte Teilschicht 2c bilden gemäß Fig. 2 einen sogenannten künstlichen Antiferromagneten 7, so dass die dritte Teilschicht 2c als besonders stabile Referenzschicht ausgebildet ist, die die Richtung ihrer Magnetisierung unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes möglichst nicht ändert, während die Detektionsschicht 4 derart ausgebildet ist, dass sich die Richtung ihrer Magnetisierung stets möglichst parallel zu der Richtung eines äußeren Magnetfeldes ausrichtet.
Bevorzugt weist bei dem zweiten magnetoresistiven Schichtsystem 11 gemäß Fig. 2 die PtMn-Schicht eine Dicke von 20 nm bis 50 nm, die erste Teilschicht 2a eine Dicke von 2 nm bis 3 nm, die zweite Teilschicht 2b eine Dicke von 0,8 nm, die dritte Teilschicht 2c eine Dicke von 2 nm bis 3 nm und die Zwischenschicht 3 eine Dicke von 2 nm bis 3 nm auf. Weiter ist die Detektionsschicht 4 bevorzugt aus zwei Teilschichten ausgebildet, wobei die erste Teilschicht eine CoFe-Schicht mit einer Dicke von 0,5 nm bis 5 nm und die zweite Teilschicht eine NiFe-Schicht mit einer Dicke von 0 nm bis 6 nm ist. Darauf befindet sich dann abschließend die Deckschicht.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es wiederum möglich, den Schichtaufbau gespiegelt zu realisieren, d. h. die Detektionsschicht 4 befindet sich auf dem Substrat bzw. auf der Wachstumsschicht auf dem Substrat und die antiferromagnetische Schicht 1 befindet sich auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite des Schichtsystems 11.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass bei dem zweiten magnetoresistiven Schichtsystem 11 die zwischen der zweiten Teilschicht 2b und der antiferromagnetischen Schicht 1 befindliche erste Teilschicht 2a um 0,2 nm bis 0,5 nm dicker als die zwischen der Zwischenschicht 3 und der zweiten Teilschicht 2b befindliche dritte Teilschicht 2c ist. Insbesondere sollte gewährleistet sein, dass die erste Teilschicht 2a und die dritte Teilschicht 2c nicht die gleiche Dicke aufweisen. Bei dieser Ausführungsform ist die Richtung der Magnetisierung in der als Referenzschicht dienenden dritten Teilschicht 2c gegenüber dem Einfluss von äußeren Magnetfeldern besonders stabil.
Im Übrigen sei noch erwähnt, dass unter einer CoFe-Schicht eine Schicht aus einer Legierung der ungefähren Zusammensetzung Co_9oFe₁₀, unter einer PtMn-Schicht eine Schicht aus einer Legierung der ungefähren Zusammensetzung Pt₅₀Mn₁₀ und unter einer NiFe- Schicht eine Schicht aus einer Legierung der ungefähren Zusammensetzung Ni₈₀Fe₂₀ verstanden wird.
Die Fig. 3 erläutert in Weiterführung von Fig. 2 ein drittes magnetoresistives Schichtsystem 12, das sich von dem zweiten magnetoresistiven Schichtsystem 11 lediglich dadurch unterscheidet, dass ein bezüglich der Detektionsschicht 4 verdoppelter Sandwich- Aufbau vorgesehen ist. Auf diese Weise wird die Detektionsschicht 4 von zwei Zwischenschichten 3 eingeschlossen, wobei sich auf der der Detektionsschicht 4 abgewandten Seite der Zwischenschicht 3 jeweils ein künstlicher Antiferromagnet 7 und zu diesem benachbart jeweils eine antiferromagnetische Schicht 1 befindet. Das dritte magnetoresistive Schichtsystem 12 weist gegenüber dem zweiten magnetoresistiven Schichtsystem 11 einen erhöhten GMR-Effekt auf, was die erreichbare Winkelgenauigkeit bei der Einrichtung 50 zur Erfassung der Rotation einer Welle 40 erhöht.
Die Fig. 4 zeigt die magnetische Kennlinie des zweiten magnetoresistiven Schichtsystems 11 gemäß Fig. 2 für Magnetfelder zwischen 0 mTesla und ca. 400 mlesla. Auf der x-Achse ist dabei neben der Richtung des Magnetfeldes die Stärke des Magnetfeldes in mlesla aufgetragen, während auf der y-Achse der sogenannte GMR-Effekt in Prozent, d. h. die relative Änderung des elektrischen Widerstandes des magnetoresistiven Schichtsystems 11 als Funktion von Stärke und Richtung des äußeren Magnetfeldes, aufgetragen ist. Man erkennt, dass die erste magnetische Kennlinie 20 gemäß Fig. 4 bei starken Magnetfeldern mit bis zu 400 ml nicht vollständig reversibel ist, d. h. der GMR-Effekt ist unterschiedlich stark ausgeprägt je nach Vorgeschichte des Schichtsystems 11 bzw. Richtung beim Durchlaufen der Kennlinie.
Die Fig. 5 zeigt in Weiterführung von Fig. 4 eine zweite magnetische Kennlinie 21, die an dem zweiten magnetoresistiven Schichtsystem 11 gemäß Fig. 2 aufgenommen wurde. Diesmal wurde die Kennlinie hinsichtlich Richtung und Stärke des externen Magnetfeldes lediglich im Bereich von -100 mlesla bis +100 mlesla durchlaufen. Auf der y- Achse ist erneut der GMR-Effekt in Prozent analog Fig. 4 aufgetragen.
Man erkennt, dass die Kennlinie nun einen nahezu völlig reversiblen Verlauf im für den Einsatz der Einrichtung 50 zur Erfassung der Rotation einer Welle 40 relevanten Magnetfeldbereich von -100 mlesla bis +100 mlesla aufweist. Insofern eignet sich das zweite magnetoresistive Schichtsystem 11 gemäß Fig. 2, das über einen entsprechenden Gebermagneten 43 gemäß Fig. 5 einem Magnetfeld in diesem Bereich ausgesetzt ist, sehr gut zur präzisen und reproduzierbaren Messung eines Winkels, insbesondere eines Drehwinkels, einer Rotationsgeschwindigkeit oder einer Drehrichtung in der Einrichtung 50 zur Erfassung der Rotation einer Welle 40.
Die Fig. 6 zeigt eine erste Wheatstone-Brücke 30 mit insgesamt vier magnetoresistiven Schichtsystemen 11, 12, die gemäß Fig. 2 oder Fig. 3 ausgeführt sind. Weiter ist ein Abgriff für eine Spannung U₁ vorgesehen. Die einzelnen magnetoresistiven Schichtsysteme 11, 12 gemäß Fig. 6 sind jeweils streifenförmig ausgebildet, wobei die Richtung der Magnetisierung der dritten Teilschicht 2c jeweils durch die in Fig. 6 angedeuteten Pfeile repräsentiert wird. Insbesondere ist erkennbar, dass bei der ersten Wheatstone- Brücke 30 zwei magnetoresistive Schichtsysteme 11, 12 vorgesehen sind, die hinsichtlich der Richtung der Magnetisierung der dritten Teilschicht 2c eine gleiche Magnetisierungsrichtung aufweisen, sowie zwei Schichtsysteme 11, 12, die eine dazu entgegengesetzt gerichtete Magnetisierungsrichtung aufweisen.
Die Fig. 7 zeigt ein GMR-Sensorelement 32 mit vier GMR-Schichtsystemen 11, 12, die in der ersten Wheatstone'schen Brückenschaltung 30 gemäß Fig. 6 miteinander verschaltet sind, sowie vier GMR-Schichtsysteme 11, 12, die in einer zweiten Wheatstoneschen Brückenschaltung 31 miteinander verschaltet sind. Die erste Brückenschaltung 30 und die zweite Brückenschaltung 31 stehen weiter jeweils bei Betrieb der Einrichtung 50 zur Erfassung der Rotation einer Welle 40 unter dem Einfluss des Magnetfeldes des Gebermagneten 43 und stellen ein Signal U₁ bzw. ein Signal U₂ bereit. Das Signal U₁ der ersten Wheatstone-Brücke 30 ist weiter gegenüber dem Signal U₂ der zweiten Wheatstone-Brücke 31 um 90° oder 270° phasenverschoben. Dies wird durch eine geeignete Anordnung der Richtung der Magnetisierung der dritten Teilschicht 2c in den einzelnen magnetoresisitiven Schichtsystemen 11, 12 erreicht, wie dies in Fig. 7 durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet ist.
Insbesondere ist gemäß Fig. 7 die erste Wheatstone-Brücke 30 als cosinus-Brücke ausgebildet, während die zweite Wheatstone-Brücke 31 als sinus-Brücke ausgebildet ist, d. h. das Messsignal U₁ weist einen cosinus-förmigen Spannungsverlauf und das Messsignal U₂ einen sinus-förmigen Spannungsverlauf auf. Ansonsten sind die erste Wheatstone- Brücke 30 und die zweite Wheatstone-Brücke 31 gleich aufgebaut und parallel zueinander geschaltet.
Die Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch einen Gebermagneten 43, gegenüber dem das GMR-Sensorelement 32 beabstandet angeordnet ist. Weiter ist eine parallel zu der Oberfläche des Gebermagneten 43 verlaufende Achse 46 eingezeichnet. Aus Fig. 8 ist erkennbar, dass der Magnetfeldverlauf, der durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet ist, im Inneren des Gebermagneten 43 einen wannenförmigen oder zylindersymmetrischen Verlauf aufweist. Weiter ist der Gebermagnet 43 in seinem Inneren bezüglich der parallel zu seiner Oberfläche verlaufenden Symmetrieachse 46 symmetrisch aufmagnetisiert. Zudem ist erkennbar, dass sich das GMR-Sensorelement 32 bei der Aufmagnetisierung des Gebermagneten 43 gemäß Fig. 8 und der Anordnung des GMR-Sensorelementes 32 in einem vorgegebenen Abstand von dem Gebermagneten 43 an einem Ort befindet, an dem eine zumindest näherungsweise maximale von dem Gebermagneten 43 erzeugte magnetische Feldstärke in der Ebene des GMR-Sensorelementes 32 vorliegt.
Da lediglich die in der Ebene des GMR-Sensorelementes 32 liegende Komponente des Magnetfeldes des Gebermagneten 43 zu dem gewünschten GMR-Effekt beiträgt, ist diese Komponente die relevante Größe. Der Aufbau und die Anordnung gemäß Fig. 8 sowie die entsprechende Aufmagnetisierung des Gebermagneten 43, die bevorzugt über einen einzelnen Stromleiter erfolgte, führt zu einem besonders hohen, homogenen Magnetfeld parallel zu der Ebene des GMR-Sensorelementes 32 am Ort des GMR-Sensorelementes 32.
Die Fig. 9 zeigt schließlich einen Schnitt durch die Einrichtung 50 zur Erfassung der Rotation einer Welle 40, wobei die Welle 40 beispielsweise aus Stahl besteht. An einem Wellenende bzw. an einer Stirnseite 41 der Welle 40 ist der Gebermagnet 43 aufgebracht. Alternativ kann der Gebermagnet 43 kann auch in die Stirnseite 41 der Welle 40 integriert sein. Weiter ist dargestellt, dass sich gegenüber der Stirnseite 41 der Welle 40 von dem Gebermagneten 43 beabstandet das GMR-Sensorelement 32 befindet, auf das das von dem Gebermagneten 43 erzeugte Magnetfeld einwirkt. Der Gebermagnet 43 ist wie das GMR-Sensorelement 32 im Wesentlichen flächig ausgebildet und symmetrisch zu der Symmetrieachse 47 der Welle 40 angeordnet. Gleiches gilt auch für das GMR- Sensorelement 32, das ebenfalls bevorzugt symmetrisch zur Symmetrieachse 47 der Welle 40 angeordnet ist. Das GMR-Sensorelement 32 ist im erläuterten Beispiel gemäß Fig. 7 mit einzelnen magnetoresistiven Schichtsystemen 11, 12 gemäß Fig. 3 oder 2 ausgebildet.
Der Gebermagnet 43 besteht beispielsweise aus Bariumferrit oder Strontiumferrit und wurde in einem von einem einzelnen Stromleiter erzeugten Magnetfeld aufmagnetisiert, so dass der Gebermagnet 43 in seinem Inneren einen wannenförmigen Verlauf der die Magnetisierung repräsentierenden Magnetfeldlinien gemäß Fig. 8 aufweist.
Schließlich zeigt Fig. 9, dass das GMR-Sensorelement 32 über eine Abschirmung 42 von äußeren Störfeldern abgeschirmt wird. Die Abschirmung 42 ist beispielsweise ein das GMR-Sensorelement 32 umgebendes Gehäuse 42, das gleichzeitig ein zumindest näherungsweise ungedämpftes oder störungsfreies Einwirken des Magnetfeldes des Gebermagneten 43 auf das GMR-Sensorelement 32 ermöglicht. Dazu ist das Gehäuse 42 bevorzugt aus Kunststoff ausgebildet, der mit magnetischen Partikeln oder magnetischem Material wie Eisengranulat versetzt ist. Das Gehäuse 42 weist bevorzugt weichmagnetische Eigenschaften auf.
Der Gebermagnet 43 ist derart ausgebildet, dass er am Ort des GMR-Sensorelementes 32 ein Magnetfeld mit einer Feldstärke von 1 mTesla bis 20 mlesla, beispielsweise 10 mTesla, erzeugt.
Schließlich ist in dem Gehäuse 42 oder in einem von der Abschirmung erfassten Bereich benachbart zu dem GMR-Sensorelement 32 eine elektronische Auswerteschaltung 44 integriert, mit der das Messsignal des GMR-Sensorelementes 32 auswertbar ist.
Das Gehäuse 42 ist gemäß Fig. 9 topfförmig ausgebildet, wobei die Stirnseite 41 der Welle 40 mit dem Gebermagneten 43 in das Gehäuse 42 eingreift. Das Gehäuse 42 bewirkt, dass sich magnetische Störfelder nicht auf die Richtung des von dem Gebermagneten 43 am Ort des GMR-Sensorelementes 32 erzeugten Magnetfeldes auswirken, was zu einer Verfälschung einer Winkelmessung mit Hilfe des GMR-Sensorelementes 32 führen könnte.
Hinsichtlich weiterer Details zum Aufbau von magnetoresistiven Schichtsystemen, die einen künstlichen Antiferromagneten aufweisen, zu Verfahren zu deren Herstellung sowie zu der Verschaltung von derartigen magnetoresistiven Schichtsystemen in Wheatstone'schen Brückenschaltungen gemäß Fig. 6 bzw. 7 sei im übrigen auf WO 00/79298 A2 verwiesen. Die hier eingesetzten magnetoresistiven Schichtsysteme 11, 12 unterscheiden sich von den dort beschriebenen vor allem im konkreten Schichtaufbau und in der Art der Verschaltung der Wheatstone'schen Brückenschaltungen 30, 31.

Claims

1. Einrichtung zur Erfassung der Rotation einer Welle, insbesondere hinsichtlich Drehwinkel, Rotationsgeschwindigkeit und/oder Drehrichtung, mit einer Welle (40) und einem auf der Oberfläche einer Stirnseite (41) der Welle (40) angebrachten oder einem im Bereich der Oberfläche der Stirnseite (41) der Welle (40) integrierten Gebermagneten (43), sowie mit einem gegenüber der Stirnseite (41) der Welle (40) von dem Gebermagneten (43) beabstandet angeordneten GMR-Sensorelement (32), auf das ein von dem Gebermagneten (43) erzeugtes Magnetfeld einwirkt, wobei ein von dem GMR-Sensorelement (32) unter dem Einwirken des Magnetfeldes als Funktion eines Drehwinkels der Welle (40) bereitgestelltes Messsignal über den gesamten Winkelbereich von 0° bis 360° eindeutig dem Drehwinkel der Welle (40) zuordbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (43) im Wesentlichen flächig ausgebildet und symmetrisch zu der Symmetrieachse (47) der Welle (40) auf oder im Bereich der Oberfläche der Stirnseite (41) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das GMR- Sensorelement (32) im Wesentlichen flächig ausgebildet und gegenüber dem Gegenmagneten (41) insbesondere symmetrisch zu der Symmetrieachse (47) der Welle (40) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das GMR-Sensorelement (32) eine Mehrzahl von nach dem Spin-Valve-Prinzip arbeitenden GMR-Schichtsystemen (11, 12) aufweist.

5. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vier GMR-Schichtsysteme (11, 12) in einer ersten Wheatstone'schen Brückenschaltung (30) und vier GMR-Schichtsysteme (11, 12) in einer zweiten Wheatstoneschen Brückenschaltung (31) miteinander verschaltet sind, wobei die erste Brückenschaltung (30) und die zweite Brückenschaltung (31) unter dem Einfluss des Magnetfeldes des Gebermagneten (43) stehen und jeweils ein Signal (U₁, U₂) bereitstellen, das gegenüber dem Signal (U₁, U₂) der jeweils anderen Brückenschaltung (30, 31) insbesondere lediglich um 90° oder 270° phasenverschoben ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brückenschaltung (30) und die zweite Brückenschaltung (31) parallel geschaltet sind.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die GMR-Schichtsysteme (11, 12) ein einen künstlichen Antiferromagneten (7) bildendes Teilschichtsystem (2a, 2b, 2c) und/oder eine zu diesem Teilschichtsystem (2a, 2b, 2c) benachbarte antiferromagnetische Schicht (1) aufweisen.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (43) zumindest bereichsweise aus einem Ferrit, insbesondere einem Bariumferrit wie BaFe₁₂O₁₉ oder einem Strontiumferrit wie SrFe₁₂O₁₉, besteht.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (43) in seinem Inneren einen bezüglich einer parallel zu seiner Oberfläche verlaufenden Achse (46) symmetrischen, insbesondere wannenförmigen oder zylindersymmetrischen Verlauf der die Magnetisierung repräsentierenden Magnetfeldlinien aufweist.

10. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (43) in einem von einem einzelnen Stromleiter erzeugten Magnetfeld aufmagnetisiert worden ist und/oder dass der Gebermagnet (43) in seinem Inneren einen wannenförmigen oder zylindersymmetrischen Verlauf der die Magnetisierung repräsentierenden Magnetfeldlinien aufweist.

11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (43) derart aufmagnetisiert und das im Wesentlichen flächige GMR- Sensorelement (32) relativ zu dem Gebermagneten (43) bei einem vorgegebenen Abstand von GMR-Sensorelement (32) und Gebermagnet (43) derart angeordnet ist, dass am Ort des GMR- Sensorelementes (32) in der Ebene des GMR-Sensorelementes (32) eine zumindest näherungsweise maximale, von dem Gebermagneten (43) erzeugte magnetische Feldstärke vorliegt.

12. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abschirmung (42) vorgesehen ist, die das GMR-Sensorelement (32) gegenüber magnetischen Störfeldern abschirmt.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (42) ein das GMR-Sensorelement (32) zumindest bereichsweise umgebendes Gehäuse (42) umfasst, das derart ausgebildet ist, dass es ein zumindest näherungsweise ungedämpftes Einwirken des Magnetfeldes des Gebermagneten (43) auf das GMR-Sensorelement (32) ermöglicht.

14. Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung oder das Gehäuse (42) aus Kunststoff ausgebildet ist, der mit magnetischen Partikeln oder magnetischem Material, insbesondere Eisengranulat oder Eisenpulver, versetzt oder vermischt ist, und/oder dass die Abschirmung oder das Gehäuse (42) weichmagnetische Eigenschaften aufweist.

15. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gebermagnet (43) am Ort des GMR-Sensorelementes (32) ein Magnetfeld mit einer Feldstärke von 1 mT bis 20 mT erzeugt.

16. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (42) oder in einem von der Abschirmung erfassten Bereich insbesondere benachbart zu dem GMR-Sensorelement (32) eine elektronische Auswerteschaltung (44) integriert ist, mit der das Messsignal des GMR-Sensorelementes (32) auswertbar ist.

17. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite (41) der Welle (40) mit dem Gebermagneten (43) in das Gehäuse (42) eingreift.

18. GMR-Schichtsystem, insbesondere zur Verwendung in einer Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer antiferromagnetischen Schicht (1), die insbesondere aus PtMn ausgebildet ist, und die eine Dicke von 10 nm bis 50 nm aufweist, einer ersten Teilschicht (2a) in Form einer festgehaltenen Schicht, die insbesondere aus CoFe besteht, und die eine Dicke von 1 nm bis 4 nm, vorzugsweise 1 nm bis 3 nm, aufweist, einer zweiten Teilschicht (2b) aus Ruthenium mit einer Dicke von 0,6 nm bis 1 nm, einer dritten Teilschicht (2c) in Form einer festgehaltenen Schicht oder Referenzschicht, die insbesondere aus CoFe besteht, und die eine Dicke von 1 nm bis 4 nm, vorzugsweise 1 nm bis 3 nm, aufweist, einer Zwischenschicht (3), die insbesondere aus Kupfer besteht, und die eine Dicke von 2 nm bis 3 nm aufweist, und einer Detektionsschicht (4), wobei die Detektionsschicht (4) entweder eine Dicke von 0,5 nm bis 6 nm aufweist und insbesondere aus NiFe besteht, oder wobei die Detektionsschicht (4) zwei Teilschichten aufweist, wobei die erste Teilschicht der Detektionsschicht (4) eine Dicke von 0,5 nm bis 5 nm, insbesondere 1 nm bis 5 nm aufweist, zu der Zwischenschicht (3) benachbart ist, und insbesondere aus CoFe besteht, und wobei die zweite Teilschicht der Detektionsschicht (4) eine Dicke von 0,5 nm bis 6 nm aufweist, und insbesondere aus NiFe besteht.

19. GMR-Schichtsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die antiferromagnetische Schicht (1) eine Dicke von 20 nm bis 50 nm aufweist, die erste Teilschicht (2a) eine Dicke von 2 nm bis 3 nm aufweist, die zweite Teilschicht (2b) eine Dicke von 0,8 nm aufweist, und die dritte Teilschicht (2c) eine Dicke von 2 nm bis 3 nm, aufweist.

20. GMR-Schichtsystem nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass es nach dem Spin-Valve-Prinzip arbeitet und ein einen künstlichen Antiferromagneten (7) bildendes Teilschichtsystem (2a, 2b, 2c) und/oder eine zu diesem Teilschichtsystem (2a, 2b, 2c) benachbarte antiferromagnetische Schicht (1) aufweist.