DE19648879A1 - Magnetfeldsensor mit parallelen magnetoresistiven Schichtstreifen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hochempfindlichen Magnetfeldsensor auf der Basis des anisotropen magnetoresistiven Effektes mit einer Ummagnetisierungsleitung wie er beispielsweise in elektronischen Kompassen oder zur potentialfreien Strommessung angewendet, wird. Solche Sensoren weisen durch Anwendung des Flipprinzips eine besonders hohe Nullpunktsstabilität auf.

Magnetfeldsensoren, bei denen die für den Flipstrom notwendige Ummagnetisierungsleitung im Chip integriert ist, sind an sich bekannt (DE 43 19 146 A1). Nachteiligerweise werden in solchen integrierten Flipleitern jedoch zur Erzeugung der Magnetfelder, die die Koerzitivfeldstärke der magnetoresistiven Schichtstreifen übertreffen und so deren Magnetisierung in allen Flächenbereichen ausschließlich in die vorgesehene Richtung drehen, relativ hohe Stromwerte benötigt. Diese hohen Stromwerte verhindern in vielen Anwendungsfällen die Nutzung kostengünstiger integrierter Halbleiterschaltkreise in der Sensorelektronik.

Aufgabe der Erfindung ist, einen hochempfindlichen Magnetfeldsensor mit einer integrierten Ummagnetisierungsleitung anzugeben, die sowenig Strom benötigt, daß ihre Versorgung mit Hilfe kostengünstiger integrierter Halbleiterschaltkreise möglich ist und trotzdem ein zuverlässiges Umschalten der Magnetisierungsrichtung in den Dünnschichtelementen des magnetoresistiven Sensors garantiert ist.

Die Aufgabe wird durch Anordnungen entsprechend dem Hauptanspruch gelöst. Die Unteransprüche geben weitere Einzelheiten zur Ausgestaltung vorteilhafter Anordnungen an. Die Herabsetzung des für die Ummagnetisierung notwendigen Stromes hat neben der Möglichkeit des Einsatzes von integrierten Schaltkreisen in der Sensorelektronik noch weitere Vorteile. Durch den geringeren Strom sind die Störfelder der Flipstromzuleitungen, die auf den Sensor selbst und insbesondere bei Dreikomponentenmeßanordnungen auf die beiden Sensoren für die anderen Komponenten wirken, auch herabgesetzt. Da die Joulsche Wärme, die im Chip entwickelt wird, quadratisch vom Stromwert abhängig ist, wird mit dem durch die Erfindung wesentlich abgesenkten Strom auch die Aufheizung des Chips beträchtlich geringer sein, so daß dadurch die mit dem Sensor erreichbare Feldempfindlichkeit ansteigt. Durch die erfindungsgemäße Absenkung des notwendigen Stromes für eine bestimmte Feldstärke ist es auch möglich, die Ummagnetisierungsleitung zur Erzeugung eines konstanten Stabilisierungsfeldes für die magnetoresistiven Schichtstreifen zu benutzen, ohne eine unzulässige Aufheizung des Chips zu erhalten. Die quasielliptische Form der magnetoresistiven Bereiche enthält keine Ecken sondern nur kontinuierliche Krümmungen der Begrenzungslinie. Dadurch ist vorteilhafterweise die Bildung von Randdomänen mit anderer Magnetisierungsrichtung als der vorgegebenen unter normalen Betriebsbedingungen ausgeschlossen. Dadurch treten Hysteresen in den Kennlinien nicht mehr auf.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen ist in Fig. 1 ein magnetoresistiver Sensor entsprechend dem Stand der Technik dargestellt. Fig. 2 und Fig. 3 zeigen einen erfindungsgemäßen Sensor in einer ersten Ausführung. In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zu sehen.

In Fig. 1 ist ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor entsprechend dem Stand der Technik gezeichnet. Er besteht aus vier parallelen magnetoresistiven Schichtstreifen 1, die jeweils aus vier Bereichen 2, die in einer Linie angeordnet sind, zusammengesetzt sind. Die Bereiche sind mit nicht gezeichneten Barber-Pole-Strukturen versehen, die abwechselnd um einen positiven und einen negativen Winkel gegen die Linie geneigt sind. Über den magnetoresistiven Schichtstreifen 1 ist isoliert eine Ummagnetisierungsleitung 3 vorhanden, die mäanderförmig aus hochleitfähigen Dünnschichtstreifen 4 zusammengesetzt ist. Ein in die Kontakte 8 eingespeister Strom durch die Ummagnetisierungsleitung 3 richtet die Magnetisierung in den Bereichen 2 abwechselnd nach oben und unten in der Zeichnungsebene aus. Wegen der ebenfalls abwechselnd positiv und negativ geneigten Barber-Pole-Strukturen ändern sich dann alle vier Bereiche jedes magnetoresistiven Schichtstreifens 1 in einem angelegten Magnetfeld H gleichsinnig und nebeneinanderliegende magnetoresistive Schichtstreifen 1 ändern sich gegenläufig. An der entsprechend der Fig. 1 geschalteten Wheatstone-Brücke mit der Betriebsspannung U_B kommt es deshalb bei angelegtem Magnetfeld H zu einer Ausgangsspannung an den Kontakten U_a. Bei Umkehrung der Stromrichtung durch die Ummagnetisierungsleitung 3 kehrt sich auch das Vorzeichen der Spannung an den Kontakten U_a um. Durch ständiges Wechseln der Stromrichtung in der Ummagnetisierungsleitung 3 wird bei anliegendem Gleichfeld H ein Wechselspannungssignal bei U_a erhalten. Für die völlige Umkehr der Magnetisierungsrichtung in den Bereichen 2 werden nun Ströme benötigt die Felder erzeugen, die wesentlich größer als die Anisotropiefeldstärken der Bereiche 2 sind. Diese Ströme liegen bei üblichen Geometrien der Sensoranordnung bei etwa 1 A. Als Ursache für die benötigten hohen Ströme wurden Randdomänen an den Enden der Bereiche ermittelt, die ihre Magnetisierungsrichtung erst bei Feldstärken umkehren, die wesentlich über der Anisotropiefeldstärke liegen.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen eine erste erfindungsgemäße Anordnung für den Magnetfeldsensor. Diese gleicht der in Fig. 1 gezeigten Anordnung bis auf den Querschnitt der elektrisch hochleitfähigen Dünnschichtstreifen 4 der Ummagnetisierungsleitung 3, der in Fig. 3 dargestellt ist. Über den jeweiligen Enden 5 der Bereiche 2 weisen die elektrisch hochleitfähigen Dünnschichtstreifen 4 der Ummagnetisierungsleitung 3 eine erheblich größere Dicke auf als in den Teilen 7, die über den mittleren Teilen 6 der Bereiche 2. Da die elektrisch hochleitfähigen Dünnschichtstreifen 4 jedoch über dem gesamten Querschnitt denselben spezifischen Widerstand haben, fließt nun beim Anlegen einer Spannung an die Ummagnetisierungsleitung in diesen Seitenbereichen wesentlich mehr Strom pro Breite als im mittleren Teil 7 des Querschnitts. So wird hier eine besonders hohe Magnetfeldstärke auf die Enden 5 der Bereiche einwirken und auch die Randdomänen in ihrer Magnetisierungsrichtung richtig einstellen, ohne daß ein hoher Gesamtstrom notwendig wäre.

Eine weitere Ausführung der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Die Bereiche 2 der magnetoresistiven Schichtstreifen 1 werden hier nicht durch Rechtecke gebildet, sondern es ist eine im wesentlichen elliptische Form 9 der Bereiche 2 vorhanden. Abweichungen von der elliptischen Form gibt es an den Enden 5 der Bereiche. Hier laufen die Bereiche 2 spitzer zu als die entsprechenden Ellipsen und die Krümmungsradien sind wesentlich kleiner als bei den Ellipsen 9. Da die Umrandung der Bereiche 2 nun keine Ecken mehr haben, sind Domänen mit von der Magnetisierungsrichtung des mittleren Teiles 6 abweichender Richtung nur noch in den Enden 5 mit den geringen Radien möglich. Über den Bereichen 2 der magnetoresistiven Schichtstreifen 1 sind in Fig. 4 jeweils drei nebeneinanderliegende elektrisch hochleitfähige Dünnschichtstreifen 4 der Ummagnetisierungsleitung gezeichnet. In wirklichen Anordnungen können auch noch mehr elektrisch hochleitfähige Dünnschichstreifen 4 vorhanden sein. Wesentlich ist, daß die beiden jeweils über den Enden der Bereiche 2 der magnetoresistiven Schichtstreifen 1 liegenden elektrisch hochleitfähigen Dünnschichtstreifen 4 erheblich schmaler sind als die übrigen. Die nebeneinanderliegenden elektrisch hochleitfähigen Dünnschichtstreifen 4 sind alle elektrisch in Reihe geschaltet und werden so von demselben Ummagnetisierungsstrom durchflossen. Unter den wesentlich schmaleren Dünnschichtstreifen entsteht dann auch ein erheblich höheres Magnetfeld. Und dieses sorgt mit Sicherheit dafür, daß bei einem relativ geringen Ummagnetisierungsstrom auch die Magnetisierungsrichtung in den Enden 5 der Bereiche 2 mit den kleinen Krümmungsradien richtig eingestellt wird.

Claims (4)

1. Magnetfeldsensor mit parallelen magnetoresistiven Schichtstreifen (1), die jeweils aus mindestens zwei in einer Linie liegenden Bereichen (2) unterteilt sind und unter oder über denen eine senkrecht zu der Linie der magnetoresistiven Schichtstreifen (1) sich erstreckende Ummagnetisierungsleitung (3) verläuft, die aus elektrisch hochleitfähigen Dünnschichtstreifen (4) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch hochleitfähigen Dünnschichtstreifen (4) so gestaltet sind, daß der Strom pro Breiteneinheit über oder unter den Bereichsenden (5) wesentlich größer ist als über oder unter den mittleren Teilen (6) der Bereiche.

2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (2) im wesentlichen elliptische Form haben, wobei an den Enden der Ellipsen (9) über oder unter denen der erhöhte Strom pro Breite in den elektrisch hochleitfähigen Dünnschichtstreifen (4) vorhanden ist, die Bereiche (2) spitz zulaufen und mit einem Krümmungsradius abgeschlossen sind, der geringer ist als der der entsprechenden Ellipse (9).

3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über oder unter jedem Bereich (2) mindestens drei der elektrisch hochleitfähigen Dünnschichtstreifen liegen und die beiden über den Bereichsenden liegenden elektrisch hochleitfähigen Dünnschichtstreifen (4) von wesentlich geringerer Breite sind als die über oder unter der Mitte (6) der Bereiche liegenden elektrisch hochleitfähigen Dünnschichtstreifen (4) und daß alle elektrisch hochleitfähigen Dünnschichtstreifen (4) elektrisch in Reihe geschaltet sind.

4. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über oder unter einem Bereich (2) jeweils nur ein elektrisch hochleitfähiger Dünnschichtstreifen (4) verläuft, dessen Dicke dort, wo er den Bereichsenden (5) gegenübersteht, wesentlich größer ist als über oder unter dem mittleren Teil (6) des Bereiches.