DE19648879A1 - Magnetfeldsensor mit parallelen magnetoresistiven Schichtstreifen - Google Patents
Magnetfeldsensor mit parallelen magnetoresistiven SchichtstreifenInfo
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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 UB
kommt es deshalb bei angelegtem Magnetfeld H zu einer Ausgangsspannung an den
Kontakten Ua. Bei Umkehrung der Stromrichtung durch die Ummagnetisierungsleitung 3
kehrt sich auch das Vorzeichen der Spannung an den Kontakten Ua um. Durch ständiges
Wechseln der Stromrichtung in der Ummagnetisierungsleitung 3 wird bei anliegendem
Gleichfeld H ein Wechselspannungssignal bei Ua 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.
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