Es
ist an sich bakannt, dass sogenannte GMR-Sensoren als magnetfeldempfindliche
Bauelemente (GMR= Giant Magneto Resistance), beispielsweise als
relativ robuste Sensoren bei der Drehwinkelerfassung in Kraftfahrzeugen,
angewendet werden können.
Als Giant Magneto Resistance (GMR) wird ein Effekt bezeichnet, der
bei geeigneten Schichtsystemen, bestehend aus dünnen, abwechselnd magnetischen
und nichtmagnetischen Metallschichten, auftritt. Es handelt sich
hierbei um eine starke Abhängigkeit
des elektrischen Widerstands des Schichtsystems von einem angelegten
Magnetfeld aufgrund spinabhängiger
Elektronenstreuung.
Beispielsweise
ist in der
DE 101
28 135 A1 ein Konzept beschrieben, in dem eine hartmagnetische
Schicht in der Nähe,
d.h. insbesondere auf und/oder unter einem magnetoresistiven Schichtstapel,
deponiert wird. Diese hartmagnetische Schicht koppelt dann vorwiegend
durch ihr Streufeld an die magnetosensitiven Schichten und erzeugt
dabei ein sogenanntes Bias-Magnetfeld, das als Magnetfeld-Offset wirkt, so
dass auch bei einer nur schwachen Variation eines dem internen Magnetfeld überlagerten
externen Magnetfelds eine gut messbare und relativ große Veränderung
des eigentlichen Messwertes, der als Widerstandsänderung in der Schichtanordnung
detektiert wird, erreichbar ist.
Es
ist darüber
hinaus aus
DE 199
49 714 A1 bekannt, dass solche Sensoren als sogenannte Spin-Valve-Schichtsysteme
aufgebaut werden. Hierbei wird die weichmagnetische Detektionsschicht durch
eine nichtmagnetische Zwischenschicht von einer magnetisch härteren Schicht
getrennt. Die nichtmagnetische Zwischenschicht weist dabei eine derartige
Schichtdicke auf, dass nur eine geringe magnetische Kopplung zwischen
den beiden magnetischen Schichten über die nichtmagnetische Zwischenschicht
erfolgt. Hiermit wird erreicht, dass die Richtung der Magnetisierung
der weichmagnetischen Detektionsschicht schon sehr kleinen externen Magnetfeldern
folgt.
Als
GMR-Spin-Valve werden Schichtstapel bezeichnet, deren Aufbau prinzipiell
aus mindestens vier Schichten besteht, wobei die Schichten folgende Rolle
einnehmen: 1. eine freie Schicht als eine weitgehend frei einem
angelegten Magnetfeld folgende magnetische Schicht; 2. eine nichtmagnetische
Zwischenschicht, die zwischen den beiden am GMR-Effekt beteiligten
magnetischen Schichten liegt; 3. eine festgehaltene Schicht, die
eine magnetische Schicht ist, die dem äußeren Feld bis zu einem Grenzwert nicht
folgt und 4. eine oder mehrere Schichten um die festgehaltene Schicht
festzuhalten. Letzteres kann ein Antifer romagnet, ein künstlicher
Antiferromagnet, eine Kombination von beiden, eine hartmagnetische Schicht
oder Anderes sein.
Die
zuvor beschriebenen Sensoren werden in an sich bekannter Weise zur
Drehzahlerfassung, beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik, oft
in einer sogenannten Gradiometeranordnung ausgeführt. Das heißt je zwei
Zweige einer Wheatstoneschen Messbrücke sind in vorgegebenem Abstand
angeordnet, so dass ein homogenes Magnetfeld kein Brückensignal
bewirkt. Eine Variation des Magnetfelds im Bereich des vorgegebenen
Abstands hingegen erzeugt ein Brückensignal.
Damit misst der Sensor nur das Signal eines magnetischen Polrads,
dessen Polpaarabstand in etwa dem vorgegebenen Gradiometerabstand
entspricht.
Entsprechendes
gilt bei Verwendung eines geometrisch codierten Stahlrads, das selber
nicht ferromagnetisch ist, welches aber das Feld eines in der Nähe des Sensors
angebrachten Magneten durch seine Suszeptibilität moduliert. Beispiele für solche
Geberräder
sind Zahnräder
oder Geberräder mit
Anordnungen von Vorsprüngen
und Aussparungen. Auch hier wird nur eine Modulation des Magnetfelds
auf dem Maßstab
des Gradiometerabstandes gemessen.
Um
nun ein Gradiometer auf der Basis eines GMR-Spin-Valves auszuführen, werden vier Messstreifen
aus dem GMR-Material
in Dünnschichttechnik
ausgeführt.
Um einen für
die Auswerteelektronik geeigneten Brückenwiderstand in der Größenordnung
von 1 kOhm darzustellen, wird üblicherweise eine
mäanderförmige Anordnung
der Messstreifen gewählt.
Die
Widerstandsänderung
einer solchen GMR-Spin-Valve-Struktur
erfolgt dabei üblicherweise in
einem sehr schmalen Feldbereich, dadurch ist eine Spin-Valve-Struktur
an sich in der Lage, sehr kleine Feldstärkemodulationen zu messen.
wird nun ein solcher Drehzahlsensor jedoch bei einem großen Arbeitsabstand
eingesetzt, ergibt sich jedoch das Problem, dass ein homogenes Fremdfeld
den Arbeitspunkt des GMR- Sensors so verschiebt, dass die Spin-Valve-Struktur die
kleine Magnetfeldvariation des Pol- oder Geberrades eventuell nicht mehr
detektierten kann.
Vorteile der
Erfindung
Bei
einer Weiterbildung einer Magnetsensoranordnung der eingangs angegebenen
Art mit mindestens einer magnetfeldempfindlichen Sensorschicht in
einem integrierten Spin-Valve-Mehrschichtsystem,
bei der die magnetfeldempfindlichen Sensorelemente in einer Messbrücke verschaltet sind
und deren elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von einem äußeren Magnetfeld
veränderbar
ist, sind erfindungsgemäß in vorteilhafter
Weise die Sensorelemente jeweils aus mindestens einem weitgehend
linearen Messstreifen gebildet, der sich jeweils senkrecht zur Richtung
des zu erfassenden Magnetfeld erstreckt.
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform sind
jeweils vier Sensorelemente aus dem in der Beschreibungseinleitung
erwähnten
riesenmagnetoresistiven Material (GMR) in Dünnschichttechnik zu einer Wheatstonschen
Messbrücke
verschaltet. Hierbei können
auch in vorteilhafter Weise jeweils mehrere Messstreifen zur Bildung
eines Sensorelementes parallel geschaltet werden. Die Messstreifen
sollten dabei bevorzugt jeweils eine Breite von ca. 2 bis 10 μm aufweisen.
Gegenstand
der Erfindung ist es somit, die hinsichtlich ihres ohmschen Widerstandes
magnetfeldabhängigen
Sensorelemente anstelle der im Stand der Technik üblichen
Mäan derform
als weitgehend lineare Messstreifen mit einer geringen Breite von
wenigen μm
senkrecht zur Richtung des zu messenden Magnetfeldes auszurichten.
An
sich ist es bekannt, dass das Magnetfeld in einem magnetischen Körper von
dem äußeren Feld
abweicht. Dies liegt daran, dass jeder magnetische Körper durch
seine Magnetisierung dem äußeren Feld
entgegenwirkt und bewirkt insbesondere eine Abhängigkeit des im Körper vorliegenden
inneren Feldes von der Geometrie des Körpers. Insbesondere dringt
das Magnetfeld in einen Körper,
dessen Abmessungen in den drei Dimensionen stark unterschiedlich
sind, in die Richtung der kleinsten Ausdehnung am schwächsten ein.
Dies führt
auch dazu, dass die Magnetisierung ohne äußeres Feld vorzugsweise in
die Richtung der größten Ausdehnung
zeigt. Dadurch ist die Magnetisierungskennlinie eines ansonsten
völlig
isotropen magnetischen Körpers
von der Richtung des Magnetfeldes bezüglich seiner Geometrie abhängig.
Insbesondere
kann man bei dünnen
magnetischen Schichten davon ausgehen, dass die Kennlinie bei einem
Magnetfeld in der Schichtebene und die Kennlinie bei einem Magnetfeld
senkrecht zur Schichtebene sich deutlich unterscheiden. Aus diesem
Grunde bewirkt die Reduktion der Breite des Messstreifens senkrecht
zur Richtung des zu messenden Magnetfeldes ebenfalls eine Veränderung der
Kennlinienform.
Die
Widerstandsänderung
einer eingangs beschriebenen GMR-Spin-Valve-Struktur
erfolgt, wie erwähnt,
in einem sehr schmalen Feldbereich. Dadurch ist eine Spin-Valve-Struktur in der Lage,
sehr kleine Feldstärkemodulationen
zu messen. Für
die Verwendung einer Spin-Valve-Struktur als Drehzahlsensor bedeutet
dies eine hohe Empfindlichkeit auf das von Polrad oder Geberrad
erzeugte Signal. Insbesondere kann die Magnetfeldmodulation auch bei
großen
Arbeitsabständen
sicher detektiert werden.
Wird
nun ein solcher Drehzahlsensor bei einem großen Arbeitsabstand eingesetzt,
ergibt sich jedoch das Problem, dass ein homogenes Fremdfeld den
Arbeitspunkt des GMR-Sensors
so verschiebt, dass die Spin-Valve-Struktur die kleine Magnetfeldvariation
des Pol- oder Geberrades nicht mehr detektiert. Die Anordnung der
Messstreifen gemäß der Erfindungen
bewirkt nun, dass die Kennlinie gekippt wird, wodurch sich der Bereich
hoher Sensitivität
vergrößert und
wobei gleichzeitig die maximale Sensitivität, entsprechend der geringeren
Steigung der Kennlinie, verringert wird.
Das
führt in
vorteilhafter Weise dazu, dass der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor auch bei homogenen
Störfeldern
bis zu einer gewissen Maximalgröße zuverlässig funktioniert.
Insbesondere ist die Unempfindlichkeit gegenüber Störfeldern von +/- 1 kA/m gewährleistet.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine
Prinzipansicht eines Schichtaufbaus einer Messbrückenschaltung für einen
Magnetfeldsensor nach dem Stand der Technik mit mäanderförmigen Messstreifen
als Sensorelemente,
2 eine
Kennlinie des elektrischen Widerstandes eines Sensorelements in
Abhängigkeit
vom Magnetfeld mit einem Schema der magnetoelektrischen Wandlung
eines modulierten Magnetfeldes in ein elektrisches Signal,
3 die
Verschiebung der Kennlinie nach der 2 aufgrund
eines äußeren Störfeldes,
4 einen
erfindungsgemäßen Magnetfeldsensor
in Abänderung
der 1 mit linearen Messstreifen,
5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
mit mehreren parallelgeschalteten linearen Messstreifen zu einem
Sensorelement und
6 das
Schema der Kennlinie eines GMR-Spin-Valve-Messstreifens nach der Erfindung gemäß der 4 oder 5 mit
einer Kennlinie geringerer Steigung und einer Verschiebung der Kennlinie
aufgrund eines äußeren Störfeldes.
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
In 1 ist
eine Prinzipansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten GMR-Magnetfeldsensors 1 gezeigt,
der in einem Multilagen- oder Multischichtaufbau hergestellt ist.
Für die
eigentliche Sensierung einer in der Beschreibungseinleitung erwähnten Magnetfeldänderung
sind bekannte mäanderförmige Messstreifen 2, 3, 4, 5 als
Sensorelemente vorhanden, die zu einer Wheatstoneschen Brückenschaltung
zusammengeschaltet sind, so dass die magnetfeldabhängigen Widerstandsänderungen der
Messstreifen 2, 3, 4 und 5 entsprechend
ausgewertet werden können.
In 2 ist
eine Kennlinie 6 des elektrischen Widerstandes R eines
Messstreifens 2, 3, 4 oder 5 in Abhängigkeit
vom Magnetfeld H gezeigt. An der Kennlinie 6 wird somit
ein Signal 7 entsprechend eines zu sensierenden modulierten
Magnetfeldes in ein elektrisches Signal 8 mit einer GMR-Spin-Valve-Struktur
nach der 1 umgewandelt.
Aus 3 ist
zu entnehmen, dass beispielsweise ein zu großer Arbeitsabstand bei einem
hier nicht dargestellten Drehzahlsensor dazu führt, dass ein homogenes Fremdfeld
die Kennlinie 6 und damit den Arbeitspunkt des GMR-Sensors gemäß Pfeil 9 so
verschiebt, dass die Spin-Valve-Struktur
aus der 1 die kleine Magnetfeldvariation
gemäß dem Signal 7 des
Pol- oder Geberrades des Drehzahlsensors nicht mehr detektiert.
Eine
erfindungsgemäße Anordnung
von linearen Messstreifen 10, 11, 12 und 13 als
Sensorelemente ist anhand 4 und 5 gezeigt,
wobei das Ausführungsbeispiel
nach der 5 im Unterschied zu der 4 eine
Parallelschaltung von mehreren Einzelmessstreifen zu einem Sensorelement vorsieht.
Die Messstreifen 10, 11, 12 und 13 sind
aus dem in der Beschreibungseinleitung erwähnten riesenmagnetoresistiven
Material (GMR) in Dünnschichttechnik
zu einer Wheatstoneschen Messbrücke
in vergleichbarer Weise wie beim Stand der Technik verschaltet.
Die einzelnen Messstreifen 10, 11, 12 und 13 sollten
dabei bevorzugt jeweils eine Breite von ca. 2 bis 10 μm aufweisen.
Aus
einer Kennlinie 14 nach 6, die die Änderung
des Widerstands R der Messstreifen 10, 11, 12 und 13 in
Abhängigkeit
des Magnetfeldes H bei der erfindungsgemäßen Anordnung nach den 4 und 5 zeigt,
ist zu entnehmen, dass diese Kennlinie 14 im Unterschied
zu der Kennlinie 6 nach den 2 und 3 eine
geringere Steigung aufweist. Durch diesen flacheren Verlauf wird
auch bei einer hier ebenfalls angedeuteten Verschiebung 15 der
Kennlinie 14 aufgrund eines äußeren Störfeldes der Bereich hoher Sensitivität vergrößert.