DE19722834B4

DE19722834B4 - Magnetoresistive gradiometer in the form of a Wheatstone bridge for measuring magnetic field gradients and its use

Info

Publication number: DE19722834B4
Application number: DE1997122834
Authority: DE
Inventors: Dr. Dettmann Fritz; Uwe Loreit
Original assignee: Sensitec GmbH
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 2014-03-27
Anticipated expiration: 2017-05-31
Also published as: DE19722834A1

Abstract

Magnetoresistives Gradiometer in Form einer Wheatstone-Brücke zur Messung von Magnetfeldgradienten und damit verbundener Größen, wobei die einzelnen Widerstände (1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4') der Wheatstone-Brücke aus zueinander geometrisch parallel angeordneten magnetoresistiven Schichtstreifen (9.1 bis 9.4 und 9.1' bis 9.4') mit Barber Pole Struktur (10) entgegengesetzter Neigung auf einem Schichtträger bestehen, wobei die einzelnen Widerstände (1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4') der Wheatstone-Brücke aus Reihenschaltungen von jeweils gleich vielen magnetoresistiven Schichtstreifen (9.1 bis 9.4 und 9.1' bis 9.4') mit Barber Pole Struktur (10) entgegengesetzter Neigung bestehen, wobei die magnetoresistiven Schichtstreifen (9.1 bis 9.4 und 9.1' bis 9.4') des einzelnen Widerstands (1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4') in zwei Bereichen (11, 12) angeordnet sind, deren Mittellinien (14, 15) sich symmetrisch zu einer Mittelachse (13) befinden, wobei die Schichtstreifen (9.1, 9.1' bzw. 9.1', 9.1) des jeweiligen einzelnen Widerstands mit einer Barber Pole Struktur mit zueinander entgegengesetzter Neigung sich in verschiedenen Bereichen (11 bzw. 12) befinden, und die Schichtstreifen (9.1, 9.1' bzw. 9.1', 9.1) des jeweiligen einzelnen Widerstands mit gleicher Neigung der Barber Pole Struktur in je einem gleichen Bereich (11 bzw. 12) des Gradiometers angeordnet sind.Magnetoresistive gradiometer in the form of a Wheatstone bridge for measuring magnetic field gradients and associated quantities, the individual resistances (1, 1 '; 2, 2'; 3, 3 '; 4, 4') of the Wheatstone bridge being geometrically parallel to one another arranged magnetoresistive layer strips (9.1 to 9.4 and 9.1 'to 9.4') with barber pole structure (10) of opposite inclination on a layer support, the individual resistors (1, 1 '; 2, 2'; 3, 3 '; 4, 4 ') of the Wheatstone bridge consist of series connections of the same number of magnetoresistive layer strips (9.1 to 9.4 and 9.1' to 9.4 ') with a barber pole structure (10) of opposite inclination, the magnetoresistive layer strips (9.1 to 9.4 and 9.1' to 9.4 ') of the individual resistor (1, 1'; 2, 2 '; 3, 3'; 4, 4 ') are arranged in two areas (11, 12) whose center lines (14, 15) are symmetrical to a center axis ( 13), the layer strips (9.1, 9.1 'or 9.1', 9.1) of the The individual resistors with a barber pole structure with opposite inclinations are located in different areas (11 or 12), and the layer strips (9.1, 9.1 'or 9.1', 9.1) of the respective individual resistors with the same inclination of the barber pole structure are arranged in the same area (11 or 12) of the gradiometer.

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetoresistives Gradiometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. die Verwendung eines solchen Gradiometers zum potentialfreien Messen von Strömen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.The invention relates to a magnetoresistive gradiometer according to the preamble of claim 1 and to the use of such a gradiometer for the potential-free measurement of currents according to the preamble of claim 11.

Gradiometer dienen der Messung von räumlichen Felddifferenzen. Bei der potentialfreien Strommessung kann durch Messung der vom Strom hervorgerufenen räumlichen Felddifferenzen eine Unterscheidung des zu messenden Stromes von anderen in nicht allzu großer Nähe fließenden Strömen getroffen werden.Gradiometers are used to measure spatial field differences. In the potential-free current measurement, by measuring the spatial field differences caused by the current, a distinction of the current to be measured from other currents flowing in not too close proximity can be made.

Ein zur potentialfreien Strommessung vorgesehenes magnetoresistives Gradiometer bzw. eine Anordnung mit einem Sensorchip zum Messen elektrischer Ströme ist aus der DE 43 00 605 C2 bekannt. Dieser Sensorchip umfasst eine Brückenschaltung in Form einer Wheatstone-Brücke zum Messen von Gradienten der magnetischen Feldstärke und insbesondere zum Messen elektrischer Ströme, bestehend aus vier magnetoresistiven, parallel und in zwei Bereichen mit Abstand zu einer Mittelachse angeordneten Widerständen, von denen je zwei in Reihe geschaltete Widerstände jeweils einen Brückenzweig der Wheatstone-Brücke bilden, wobei die Widerstände der Bereiche symmetrisch zur Mittelachse angeordnet sind. Jeder der einzelnen Widerstände der Wheatstone-Brücke (Brückenwiderstände) besteht zwar aus einer Reihenschaltung von zwei magnetoresistiven Schichtstreifen, er ist jedoch jeweils vollständig auf einer Seite bezüglich der Mittellinie der Sensoranordnung angeordnet.A provided for potential-free current measurement magnetoresistive gradiometer or an arrangement with a sensor chip for measuring electrical currents is from the DE 43 00 605 C2 known. This sensor chip comprises a bridge circuit in the form of a Wheatstone bridge for measuring gradients of the magnetic field strength and in particular for measuring electrical currents consisting of four magnetoresistive resistors arranged in parallel and in two regions at a distance from a central axis, two of which are connected in series Resistors each form a bridge branch of the Wheatstone bridge, wherein the resistances of the areas are arranged symmetrically to the central axis. Although each of the individual resistors of the Wheatstone bridge (bridge resistors) consists of a series arrangement of two magnetoresistive layer strips, it is in each case arranged completely on one side with respect to the center line of the sensor arrangement.

Bei diesem Gradiometer werden nur magnetoresistive Schichtstreifen mit gleicher Neigung der Barber Pole Strukturen verwendet. Wegen der Gleichheit der Schichtstrukturen lässt sich bei der Herstellung eine hohe Gleichheit aller Widerstandswerte der vier als Wheatstone-Brücke verschalteten Widerstände erreichen. Damit erhält man einen geringen Nulloffset der Brücke, der auch bei variabler Temperatur des gesamten Chips erhalten bleibt. Temperaturgradienten über der Chipfläche führen allerdings zu einer Änderung der Brückenausgangsspannung und deshalb ist die potentialfreie. Strommessung mit diesem Gradiometer nur mit sehr eingeschränkter Genauigkeit möglich.In this gradiometer, only magnetoresistive layer strips with the same inclination of the Barber Pole structures are used. Due to the equality of the layer structures, a high degree of uniformity of all resistance values of the four resistors interconnected as Wheatstone bridge can be achieved in the production. This gives a low zero offset of the bridge, which is maintained even at variable temperature of the entire chip. Temperature gradients across the chip surface, however, lead to a change in the bridge output voltage and therefore the potential-free. Current measurement with this gradiometer only possible with very limited accuracy.

Ein weiteres magnetoresistives Gradiometer wird in der DE 44 36 876 A1 beschrieben. Dieses weist den oben erwähnten Mangel der Abhängigkeit der Brückenausgangsspannung von einem Temperaturgradienten in der Chipfläche nicht auf.Another magnetoresistive gradiometer is used in the DE 44 36 876 A1 described. This does not have the above-mentioned lack of dependence of the bridge output voltage on a temperature gradient in the chip area.

Auf den magnetoresistiven Schichtstreifen werden hier jedoch Barber Pole Strukturen unterschiedlicher Neigung benutzt. Jeder einzelne Widerstand der Brücke enthält nur nach rechts geneigte oder nur nach links geneigte Barber Pole Strukturen. Durch Ungenauigkeiten in der Herstellung des jeweiligen Neigungswinkels kann die Brücke so an beiden Ausgängen eine Gleichtaktausgangsspannung aufweisen. Verbunden mit einem Gradienten der Dicke der magnetoresistiven Schicht oder der Schicht der Verbindungsleitungen auf dem Schichtträger können bei Temperaturänderungen des gesamten Chips wieder Ausgangsspannungsänderungen an der Wheatstone-Brücke auftreten, die auch hier wieder die Genauigkeit der potentialfreien Strommessung einschränken.On the magnetoresistive layer strips, however, Barber Pole structures of different inclination are used here. Each individual resistance of the bridge contains only Barber Pole structures inclined to the right or inclined only to the left. Due to inaccuracies in the production of the respective inclination angle, the bridge can thus have a common-mode output voltage at both outputs. Associated with a gradient of the thickness of the magnetoresistive layer or the layer of connecting lines on the substrate, changes in the temperature of the entire chip can again result in output voltage changes to the Wheatstone bridge, which in turn restricts the accuracy of the potential-free current measurement.

Ein aus der DE 43 19 146 A1 bekannter Magnetfeldsensor, der jedoch kein Gradiometer ist, umfasst parallel angeordnete magnetoresistive Schichtstreifen aus hintereinander geschalteten Bereichen, die Barber Pole Strukturen mit abwechselnd positivem und negativem Winkel zur Schichtstreifenlängsrichtung tragen, sowie einen mäanderförmigen Schichtstreifen als Ummagnetisierungsleitung. Insbesondere ist eine Wheatstone-Brücke mit vier magnetoresistiven Schichtstreifen aufgebaut, die mit Bereichen beginnen, die abwechselnd Barber Pole Strukturen mit positivem und negativem Winkel tragen. Jeder einzelne Widerstand der Brücke bzw. jeder Brückenwiderstand ist nur durch einen magnetoresistiven Schichtstreifen bestehend aus mehreren auf einer Linie liegenden Bereichen mit Barber Pole Struktur unterschiedlicher Neigung gebildet. – Diese Brücke hat eine stark reduzierte Nullpunktdrift, da die Brückenwiderstände aus gleichen Bestandteilen zusammengesetzt sind, so dass sich bei Temperaturänderungen die Widerstände um gleiche Werte ändern. Dies gilt auch bei Drehung der Magnetisierungsrichtung. – Jedoch ist die Messung eines Gradienten der magnetischen Feldstärke und eine hierauf basierende potentialfreie Messung von Strömen nicht möglich.One from the DE 43 19 146 A1 However, known magnetic field sensor, which is not a gradiometer, comprises arranged parallel magnetoresistive layer strips of successively connected areas, the Barber Pole structures with alternating positive and negative angle to the stripe longitudinal direction, and a meandering layer strip as Ummagnetisierungsleitung. In particular, a Wheatstone bridge is constructed with four magnetoresistive layer strips beginning with regions alternately supporting positive and negative Barber Pole structures. Each individual resistance of the bridge or each bridge resistor is formed only by a magnetoresistive layer strip consisting of several areas lying on a line with Barber Pole structure of different inclination. - This bridge has a greatly reduced zero drift, since the bridge resistors are made up of the same components, so that the resistors change by the same values when the temperature changes. This also applies to rotation of the magnetization direction. - However, the measurement of a gradient of the magnetic field strength and a potential-based measurement of currents based thereon is not possible.

Einer aus der DE 42 33 332 A1 bekannten magnetoresistiven Sensoranordnung liegt primär das Ziel zugrunde, nicht nur den magnetischen Feldgradienten an einem einzigen Raumpunkt zu messen, sondern die Verteilung von Feldgradienten, und zwar ohne Verschiebung der Sensoranordnung und ohne größeren Rechenaufwand. Hierzu werden mindestens zwei Spannungsteiler aus hintereinander geschalteten magnetoresistiven Schichtstreifen in einer Anordnung gebildet, in der alle magnetoresistiven Schichtstreifen gleiche Barber Pole Dünnschichtstreifen mit gleichen Winkeln zu dem magnetoresistiven Schichtstreifen aufweisen. Die Sensoranordnung soll durch Gruppierung der magnetoresistiven Schichtstreifen als Ausgangssignal der einzelnen Spannungsteiler Spannungen erzeugen, die den entsprechenden Magnetfeldgradienten proportional sind. Durch völlige Gleichheit der magnetoresistiven Schichtstreifen einschließlich der unter gleichem Winkel angeordneten Barber Pole Struktur soll der Nullwert der Ausgangsspannung der Spannungsteiler gegenüber Temperaturschwankungen stabil sein. Der Aufwand hierfür ist jedoch relativ groß, zumal wenn nur eine potentialfreie Messung von Strömen erfolgen soll, wozu die Messung des magnetischen Feldgradienten an einem Raumpunkt ausreicht.One from the DE 42 33 332 A1 known magnetoresistive sensor arrangement is primarily based on the goal not only to measure the magnetic field gradient at a single point in space, but the distribution of field gradients, without displacement of the sensor array and without much computational effort. For this purpose, at least two voltage dividers are formed from series-connected magnetoresistive layer strips in an arrangement in which all the magnetoresistive layer strips have the same barber pole thin-film strips at the same angles to the magnetoresistive layer strip. By arranging the magnetoresistive layer strips as output signals of the individual voltage dividers, the sensor arrangement is intended to generate voltages which are proportional to the corresponding magnetic field gradient. Through complete equality of Magnetoresistive layer strips including the barber pole structure arranged at the same angle should be stable to the zero value of the output voltage of the voltage divider with respect to temperature fluctuations. The effort for this, however, is relatively large, especially if only a potential-free measurement of currents should take place, for which purpose the measurement of the magnetic field gradient at one spatial point is sufficient.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein wenig aufwendiges magnetoresistives Gradiometer zum Messen von elektrischen Strömen anzugeben, das trotz herstellungsbedingter Toleranzen eine hohe Konstanz des Nullausgangssignals auch bei Temperaturänderungen oder Temperaturgradienten im Sensorchip aufweist.Object of the present invention is therefore to provide a little expensive magnetoresistive gradiometer for measuring electrical currents, which despite production-related tolerances has a high consistency of the zero output signal even with temperature changes or temperature gradients in the sensor chip.

Diese Aufgabe wird durch das magnetoresistive Gradiometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1, das gemäß den Ansprüchen 11 bis 13 zur potentialfreien Messung von Strömen verwendet wird, gelöst. In den Ansprüchen 2 bis 10 werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angegeben.This object is achieved by the magnetoresistive gradiometer with the features of claim 1, which is used according to claims 11 to 13 for the potential-free measurement of currents. In claims 2 to 10 preferred embodiments of the invention are given.

Nach Anspruch 1 besteht jeder Widerstand der Wheatstone-Brücke des Gradiometers aus gleich vielen Anteilen von magnetoresistiven Schichtstreifen mit positiver und negativer Neigung der Barber Pole Strukturen. Damit ist eine hohe Gleichheit der Brückenwiderstände trotz herstellungsbedingter Fehler im Barber Pole Neigungswinkel gegeben, und der Nulloffset der Brücke und dessen Temperaturkoeffizient sind klein. So kann der vom zu messenden Strom erzeugte Feldgradient mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.According to claim 1, each resistance of the Wheatstone bridge of the gradiometer consists of the same number of portions of magnetoresistive layer strips with positive and negative inclination of the Barber pole structures. Thus, a high degree of equality of the bridge resistances despite manufacturing error in the Barber Pole tilt angle is given, and the zero offset of the bridge and its temperature coefficient are small. Thus, the field gradient generated by the current to be measured can be determined with high accuracy.

Die symmetrische Anordnung der magnetoresistiven Schichtstreifen und das Vorhandensein aller Betriebsspannungs- und Ausgangsspannungsanschlüsse der Wheatstone-Brücke auf einer Seite der symmetrischen Anordnung ist die Voraussetzung dafür, dass sich induktiv oder kapazitiv eingestreute Störsignale innerhalb der Brücke aufheben und so im Ausgangssignal der Brücke nicht mehr vorhanden sind.The symmetrical arrangement of the magnetoresistive layer strips and the presence of all operating voltage and output voltage terminals of the Wheatstone bridge on one side of the symmetrical arrangement is the prerequisite for the fact that inductive or capacitive interspersed interference cancel within the bridge and are no longer present in the output signal of the bridge ,

Dadurch, dass nach Anspruch 5 alle magnetoresistiven Schichtstreifen, die Verbindungsleitungen und die Anschlusskontakte der Wheatstone-Brücke in einer Ebene liegen, kann diese ohne elektrische Verbindung zwischen unterschiedlichen Schichtebenen hergestellt werden, was in erheblichem Maße zu einer hohen Langzeitstabilität beiträgt.Characterized in that according to claim 5 all magnetoresistive layer strips, the connecting lines and the terminals of the Wheatstone bridge lie in one plane, this can be produced without electrical connection between different layer planes, which contributes to a considerable extent to a high long-term stability.

Durch Anwendung der Kompensationsmethode dient die Wheatstone-Brücke bei der Messung des Magnetfeldgradienten lediglich als Nullinstrument. Deshalb spielen die bei magnetoresistiven Sensoren auftretenden Nichtlinearitäten und Messbereichsbegrenzungen hier keine Rolle.By applying the compensation method, the Wheatstone bridge serves only as a null instrument when measuring the magnetic field gradient. Therefore, the non-linearities and measuring range limitations that occur in magnetoresistive sensors play no role here.

Durch Abgleichen der mindestens zwei änderbaren magnetoresistiven Widerstände in der Wheatstone-Brücke kann ein durch Herstellungstoleranzen bedingter Nulloffset der Brücke beseitigt werden.By balancing the at least two changeable magnetoresistive resistors in the Wheatstone bridge, a zero offset of the bridge due to manufacturing tolerances can be eliminated.

Die symmetrische Anordnung der änderbaren magnetoresistiven Widerstände und der Anschlusskontakte für die Wheatstone-Brücke und die Dünnschichtstreifenleiter wird eine symmetrische Temperaturverteilung über die Chipfläche als Folge der Eigenerwärmung garantiert. Das ist Voraussetzung für einen minimalen Einfluss der Temperatur auf das Ausgangssignal des Gradiometers.The symmetrical arrangement of the changeable magnetoresistive resistors and the connection contacts for the Wheatstone bridge and the thin-film strip conductors guarantees a symmetrical temperature distribution over the chip surface as a result of the self-heating. This is a prerequisite for a minimal influence of the temperature on the output signal of the gradiometer.

Die Verwendung von Mäandern von magnetoresistiven Schichtstreifen anstelle der einzelnen magnetoresistiven Schichtstreifen führt zu einem höheren Brückenwiderstand.The use of meandering magnetoresistive layer strips instead of the individual magnetoresistive layer strips results in a higher bridge resistance.

Damit können ohne größeren Leistungsumsatz in der Brücke hohe Betriebsspannungen verwendet werden. Da diese dem erhaltenen Ausgangssignal direkt proportional sind, werden so auch große Ausgangssignale erhalten.This means that high operating voltages can be used in the bridge without increasing the power required. Since these are directly proportional to the output signal obtained, so are also obtained large output signals.

Die Messung von elektrischen Strömen nach Anspruch 11 durch eine oder zwei in unmittelbarer Nähe des Gradiometers parallel zur Mittelachse des Schichtträgers gerichteten elektrischen Leitungen ist auch bei in der Umgebung vorhandenen magnetischen Störfeldern fast störungsfrei möglich, da die Gradienten der Störungen um Größenordnungen unter dem vom zu messenden Strom hervorgerufenen liegen. Die Quellen der Störmagnetfelder sind im Vergleich mit dem zu messenden Strom und mit der Basislänge des Gradiometers weit entfernt.The measurement of electrical currents according to claim 11 by one or two in the immediate vicinity of the gradiometer parallel to the central axis of the substrate directed electrical lines is almost trouble-free possible even in the presence of magnetic interference fields, since the gradients of the interference order of magnitude below that of the measured Electricity caused lie. The sources of perturbing magnetic fields are far removed in comparison with the current to be measured and with the base length of the gradiometer.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt 1 die Anordnung einer Wheatstone-Brücke für die Messung von Magnetfeldgradienten gemäß der Erfindung.The invention will be explained in more detail by exemplary embodiments. In the accompanying drawings shows 1 the arrangement of a Wheatstone bridge for the measurement of magnetic field gradients according to the invention.

2 gibt eine Anordnung der Bestandteile der erfindungsgemäßen Wheatstone-Brücke auf einem Schichtträger wieder. 2 indicates an arrangement of the components of the Wheatstone bridge according to the invention on a support.

3 zeigt eine andere Anordnung der Bestandteile der erfindungsgemäßen Wheatstone-Brücke auf dem Schichtträger. 3 shows a different arrangement of the components of the Wheatstone bridge according to the invention on the substrate.

In 4 ist in einem Ausschnitt die Anordnung von Dünnschichtleitern gezeigt, die als Leiter für einen Kompensationsstrom dienen, der die Wirkung von außen auf die Wheatstone-Brücke einwirkender Magnetfelder aufheben kann.In 4 is shown in a section of the arrangement of thin-film conductors, which serve as a conductor for a compensation current, which can cancel the effect of externally acting on the Wheatstone bridge magnetic fields.

5 zeigt die Anordnung eines erfindungsgemäßen Gradiometers zur Messung des Stromes in einer Stromleitung. 5 shows the arrangement of a gradiometer according to the invention for measuring the current in a power line.

In 1 ist eine Wheatstone-Brücke dargestellt, die aus den beiden Brückenzweigen 6 und 7 aufgebaut ist. Jeder der vier Widerstände 1; 2; 3 und 4 der Brücke besteht aus zwei Anteilen, die mit 1 und 1', 2 und 2', 3 und 3' und 4 und 4' bezeichnet sind. Die Widerstände 1 bis 4 und 1' bis 4' sind als Streifen magnetoresistiver Schichten ausgebildet. Diese magnetoresistiven Schichtstreifen tragen Barber Pole Strukturen 10. Die Winkel der Barber Pole Struktur 10 zur Längsrichtung ist auf den Widerständen 1 bis 4 und 1' bis 4' jeweils durch eine entsprechende Schraffur angegeben.In 1 is a Wheatstone bridge shown from the two bridge branches 6 and 7 is constructed. Each of the four resistors 1 ; 2 ; 3 and 4 The bridge consists of two shares, with 1 and 1' . 2 and 2 ' . 3 and 3 ' and 4 and 4 ' are designated. The resistors 1 to 4 and 1' to 4 ' are formed as strips of magnetoresistive layers. These magnetoresistive layer strips carry barber poles structures 10 , The angles of the Barber Pole structure 10 to the longitudinal direction is on the resistors 1 to 4 and 1' to 4 ' each indicated by a corresponding hatching.

Der Wert der Spannung an den Anschlusskontakten 17 wird nicht dadurch beeinflusst, ob die Winkel der beiden Richtungen der Barber Pole Struktur 10 genau den entgegengesetzt gleichen Wert besitzen, oder ob bei allen Barber Pole Strukturen gleiche Abweichungen von diesem Winkel vorhanden sind. Das ergibt sich einfach aus der Gleichheit der Summe der Widerstandswerte der jeweils beiden Widerstände 1 und 1', 2 und 2', 3 und 3' und 4 und 4'.The value of the voltage at the connection contacts 17 is not affected by whether the angles of the two directions of the Barber Pole structure 10 have exactly the same opposite value, or whether in all Barber Pole structures same deviations from this angle are present. This simply results from the equality of the sum of the resistance values of the two resistors 1 and 1' . 2 and 2 ' . 3 and 3 ' and 4 and 4 ' ,

Als Folge so eines Winkelfehlers ist also weder ein Nulloffset noch eine Gleichtaktspannung in der Wheatstone-Brücke möglich.As a consequence of such an angle error, neither a zero offset nor a common-mode voltage in the Wheatstone bridge is possible.

Abhängig vom Winkel der Barber Pole Struktur 10 reagieren die Widerstände auf ein bestimmtes Magnetfeld mit einer Zunahme oder Abnahme ihres Widerstandswertes. Da jeder Widerstand aus jeweils zwei Anteilen 1 und 1', 2 und 2', 3 und 3' und 4 und 4' besteht, die gegenläufig gerichtete Barber Pole Strukturen 10 aufweisen, heben sich bei Anlegen eines homogenen Magnetfeldes in jedem Widerstand die Widerstandsänderungen jeweils auf, und die Brücke zeigt kein Ausgangssignal an.Depending on the angle of the Barber Pole structure 10 the resistors respond to a particular magnetic field with an increase or decrease in their resistance value. Because each resistance consists of two shares each 1 and 1' . 2 and 2 ' . 3 and 3 ' and 4 and 4 ' exists, the oppositely directed Barber Pole structures 10 When a homogeneous magnetic field is applied in each resistor, the resistance changes cancel each other out and the bridge does not indicate an output signal.

Damit Magnetfeldgradienten zu einem Ausgangssignal der Wheatstone-Brücke führen, ist eine bestimmte geometrische Anordnung der Widerstände 1 bis 4 und 1' bis 4' erforderlich. So eine geometrische Anordnung von magnetoresistiven Schichtstreifen 9.1 bis 9.4 und 9.1' bis 9.4', die diese Widerstände 1 bis 4 und 1' bis 4' bilden, ist in 2 dargestellt. Auf einem Schichtträger 8 sind in zwei Bereichen 11 und 12 zueinander parallele magnetoresistive Schichtstreifen 9.1 bis 9.4 bzw. 9.1' bis 9.4' vorhanden. Die beiden Bereiche 11 und 12 befinden sich symmetrisch zur Mittelachse 13 des Schichtträgers 8. Innerhalb des Bereiches 11 sind die magnetoresistiven Schichtstreifen 9.1, 9.2, 9.3 bzw. 9.4 jeweils symmetrisch zur Mittellinie 14 des Bereiches 11 angeordnet. In gleicher Weise sind innerhalb des Bereiches 12 die magnetoresistiven Schichtstreifen 9.1', 9.2', 9.3' bzw. 9.4' jeweils symmetrisch zur Mittellinie 15 des Bereiches 12 angeordnet. Die Mittellinie 14 des Bereiches 11 ist von der Mittellinie 15 des Bereiches 12 um die Basislänge 5 des Gradiometers entfernt. Die Widerstände 1 bzw. 1' der Wheatstone-Brücke werden durch die elektrische Reihenschaltung der beiden magnetoresistiven Schichtstreifen 9.1 mit positiver Neigung der Barber Pole Struktur 10 aus dem Bereich 11 und durch elektrische Reihenschaltung der magnetoresistiven Schichtstreifen 9.1' mit negativer Neigung der Barber Pole Struktur 10 aus dem Bereich 12 gebildet. Die beiden jeweils links in den Bereichen 11 und 12 liegenden magnetoresistiven Schichtstreifen 9.1 und 9.1' sind dabei genau um die Basislänge 5 des Gradiometers voneinander entfernt. Ein gleicher Abstand ist auch für die in den Bereichen 11 und 12 rechts liegenden magnetoresistiven Schichtstreifen 9.1 und 9.1' vorhanden. In entsprechender Weise sind die Widerstände 2 und 2', 3 und 3' bzw. 4 und 4' aus den magnetoresistiven Schichtstreifen 9.2 und 9.2', 9.3 und 9.3' bzw. 9.4 und 9.4' gebildet. Die verschiedenen magnetoresistiven Schichtstreifen 9.1 bis 9.4 und 9.1' bis 9.4' sind durch Verbindungsleitungen 16 mit hoher elektrischer Leitfähigkeit untereinander und mit den Anschlußkontakten 17 verbunden. Um durch Herstellungstoleranzen unterschiedlichster Art hervorgerufene Abweichungen im Nulloffset der Wheatstone-Brücke abgleichen zu können, ist mit dem Widerstand 1 und 1' und mit dem Widerstand 4 und 4' jeweils ein änderbarer magnetoresistiver Widerstand 20 elektrisch in Reihe geschaltet. Diese änderbaren magnetoresistiven Widerstände 20 können beispielsweise durch Laserbearbeitung so eingestellt werden, daß ein Nulloffset der Brücke nicht mehr vorhanden ist.For magnetic field gradients to result in an output of the Wheatstone bridge, there is a certain geometric arrangement of the resistors 1 to 4 and 1' to 4 ' required. Such a geometric arrangement of magnetoresistive layer strips 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' that those resistances 1 to 4 and 1' to 4 ' form is in 2 shown. On a support 8th are in two areas 11 and 12 mutually parallel magnetoresistive layer strips 9.1 to 9.4 respectively. 9.1 ' to 9.4 ' available. The two areas 11 and 12 are symmetrical to the central axis 13 of the support 8th , Within the range 11 are the magnetoresistive layer strips 9.1 . 9.2 . 9.3 respectively. 9.4 each symmetrical to the center line 14 of the area 11 arranged. In the same way are within the range 12 the magnetoresistive layer strips 9.1 ' . 9.2 ' . 9.3 ' respectively. 9.4 ' each symmetrical to the center line 15 of the area 12 arranged. The midline 14 of the area 11 is from the center line 15 of the area 12 around the base length 5 removed from the gradiometer. The resistors 1 respectively. 1' The Wheatstone bridge is formed by the electrical series connection of the two magnetoresistive layer strips 9.1 with positive slope of the Barber Pole structure 10 out of the area 11 and by electrical series connection of the magnetoresistive layer strips 9.1 ' with negative slope of the Barber Pole structure 10 out of the area 12 educated. The two each left in the fields 11 and 12 lying magnetoresistive layer strips 9.1 and 9.1 ' are exactly the base length 5 of the gradiometer away from each other. An equal distance is also available for those in the fields 11 and 12 right magnetoresistive layer strips 9.1 and 9.1 ' available. Correspondingly, the resistors 2 and 2 ' . 3 and 3 ' respectively. 4 and 4 ' from the magnetoresistive layer strips 9.2 and 9.2 ' . 9.3 and 9.3 ' respectively. 9.4 and 9.4 ' educated. The different magnetoresistive layer strips 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' are through connection lines 16 with high electrical conductivity with each other and with the connection contacts 17 connected. In order to be able to compensate for deviations in the zero offset of the Wheatstone bridge caused by production tolerances of the most varied types, the resistance is 1 and 1' and with the resistance 4 and 4 ' one changeable magnetoresistive resistor each 20 electrically connected in series. These changeable magnetoresistive resistors 20 can be adjusted, for example by laser processing so that a zero offset of the bridge is no longer available.

Die Wheatstone-Brücke der Gradiometeranordnung nach 2 weist keine Gleichtaktspannung und keine Offsetspannurg auf, solange die Temperatur des Schichtträgers 8 homogen ist oder ein linearer Temperaturgradient über dem Schichtträger 8 besteht. Es tritt jedoch eine Offsetspannung an der Brücke auf, wenn zum Beispiel durch Eigenerwärmung durch den Betriebsstrom eine zur Mittelachse 13 symmetrische, nichtlineare Temperaturverteilung vorhanden ist. Die Anordnung eines erfindungsgemäßen Gradiometers, welches auch für diesen Fall keine Offsetspannung aufweist, ist in 3 dargestellt. Gegenüber der Anordnung nach 2 ist hier lediglich eine andere Reihenfolge der magnetoresistiven Schichtstreifen 9.1 bis 9.4 und 9.1' bis 9.4' gewählt worden. Es ist jedoch in beiden Bereichen 11; 12 des Schichtträgers 8 die gleiche Reihenfolge der magnetoresistiven Schichtstreifen 9.1 bis 9.4 und 9.1' bis 9.4' vorhanden, so daß sich wieder Schichtstreifenpaare mit dem Abstand der Basislänge 5 des Gradiometers ergeben.The Wheatstone bridge of the gradiometer arrangement after 2 has no common mode voltage and no offset distortion as long as the temperature of the substrate 8th is homogeneous or a linear temperature gradient over the substrate 8th consists. However, an offset voltage occurs at the bridge when, for example, by self-heating by the operating current to the center axis 13 Symmetrical, non-linear temperature distribution is present. The arrangement of a gradiometer according to the invention, which also has no offset voltage for this case, is in 3 shown. Compared to the arrangement 2 Here is just another order of the magnetoresistive layer strips 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' has been chosen. It is, however, in both areas 11 ; 12 of the support 8th the same order of magnetoresistive layer strips 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' present, so that again layer stripe pairs with the distance of the base length 5 of the gradiometer.

Die bisher dargestellten Wheatstone-Brücken weisen als Ausgangsspannung bei Anlegen eines bestimmten Magnetfeldgradienten einen Wert auf, der sowohl von der Temperatur als auch von einer in Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen 9.1 bis 9.4 und 9.1' bis 9.4' anliegenden Magnetfeldkomponente abhängig ist. Um diese Abhängigkeiten auszuschließen, wird bei Benutzung der erfindungsgemäßen Anordnungen der Wheatstone-Brücken vorteilhafterweise das bekannte Kompensationsprinzip angewendet. Beim Kompensationsprinzip wird die Ausgangsspannung der Wheatstone-Brücke auf einen Verstärker gegeben, dessen als Steuerstrom bezeichneter Ausgangsstrom durch einen Stromleiter in der Nähe der Brücke fließt und am Ort der Brücke einen Feldgradienten erzeugt, der den durch das äußere Feld bedingten Feldgradienten gerade aufhebt. Die Wheatstone-Brücke ist in dem Kompensationsregelkreis als Nullinstrument wirksam und Temperatur- und Feldabhängigkeiten sowie Nichtlinearitäten der Kennlinie spielen für die Ausgangsgröße, die durch den Steuerstrom dargestellt wird, keine Rolle. 4 zeigt in einem Ausschnitt, wie der Stromleiter für den Steuerstrom im Falle des erfindungsgemäßen Gradiometers vorteilhaft angeordnet werden kann. In dem gezeigten Ausschnitt sind über den magnetoresistiven Schichtstreifen 9.1 bis 9.4 Dünnschichtstreifenleiter 18 geführt. In der realen Anordnung befinden sich solche Dünnschichtstreifenleiter über allen magnetoresistiven Schichtstreifen 9.1 bis 9.4 und 9.1' bis 9.4'. Alle diese Dünnschichtstreifen 18 sind in Reihe geschaltet, so daß ein Mäander gebildet wird.The Wheatstone bridges shown so far have as output voltage upon application of a certain magnetic field gradient to a value, both of the temperature and of a longitudinal direction of the magnetoresistive layer strip 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' dependent magnetic field component is dependent. In order to exclude these dependencies, the known compensation principle is advantageously used when using the arrangements according to the invention of the Wheatstone bridges. In the compensation principle, the output voltage of the Wheatstone bridge is applied to an amplifier whose output current, referred to as the control current, flows through a current conductor near the bridge and generates a field gradient at the bridge site which just overrides the field gradient caused by the external field. The Wheatstone bridge operates as a null instrument in the compensation loop, and temperature and field dependencies as well as nonlinearities of the characteristic do not matter for the output represented by the control current. 4 shows in a section how the current conductor for the control current in the case of the gradiometer according to the invention can be advantageously arranged. In the section shown are over the magnetoresistive layer strip 9.1 to 9.4 Thin stripline 18 guided. In the real arrangement, such thin-film strip conductors are located above all magnetoresistive layer strips 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' , All these thin-film strips 18 are connected in series, so that a meander is formed.

5 stellt die Verwendung des kompensierten Gradiometers für die Bestimmung eines Meßstromes I dar. Unterhalb des Chipträgers 8 und mit ihrer Längsrichtung parallel zur Mittelachse 13 des Chipträgers 8 sind zwei elektrische Leitungen 19 angeordnet. Der Abstand der Mitte der beiden elektrischen Leitungen 19 voneinander ist dabei vorteilhafterweise so gewählt, daß er dem Basisabstand des Gradiometers entspricht. Die beiden elektrischen Leitungen 19 sind in Reihe geschaltet und sie werden so vom gleichen Meßstrom I durchflossen. Wie der 5 zu entnehmen ist, sind die Meßströme I in den beiden elektrischen Leitungen 19 entgegengesetzt gerichtet. Dadurch wirkt im linken Teil des Gradiometers ein nach rechts gerichtetes Magnetfeld und im rechten Teil des Gradiometers ein nach links gerichtetes Magnetfeld. Auf diese Weise wird durch den Meßstrom I der maximale auf das Gradiometer einwirkende Magnetfeldgradient erzeugt. 5 illustrates the use of the compensated gradiometer for the determination of a measurement current I. Below the chip carrier 8th and with its longitudinal direction parallel to the central axis 13 of the chip carrier 8th are two electrical wires 19 arranged. The distance between the middle of the two electrical wires 19 one another is advantageously chosen so that it corresponds to the base distance of the gradiometer. The two electrical wires 19 are connected in series and they are traversed by the same measuring current I. Again 5 can be seen, the measuring currents I in the two electrical lines 19 directed in the opposite direction. As a result, a magnetic field directed to the right works in the left-hand part of the gradiometer and a magnetic field directed to the left in the right-hand part of the gradiometer. In this way, the maximum magnetic field gradient acting on the gradiometer is generated by the measuring current I.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1, 2, 3, 4, 1', 2', 3', 4'1, 2, 3, 4, 1 ', 2', 3 ', 4': Widerstandresistance
55: Basislängebase length
6, 76, 7: Brückenzweigebridge branches
88th: Schichtträgerlayer support
9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.1', 9.2', 9.3', 9.4'9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.1 ', 9.2', 9.3 ', 9.4': magnetoresistiver Schichtstreifenmagnetoresistive layer strip
1010: Barber Pole StrukturBarber pole structure
11, 1211, 12: Bereicheareas
1313: Mittelachsecentral axis
14, 1514, 15: Mittelliniencenterlines
1616: Verbindungsleitungeninterconnectors
1717: Anschlußkontakteconnecting contacts
1818: DünnschichtstreifenleiterThin stripline
1919: elektrische Leitungelectrical line
2020: änderbarer Widerstandchangeable resistance
II: MeßstromMeasuring current

Claims

Magnetoresistive gradiometer in the form of a Wheatstone bridge for measuring magnetic field gradients and associated magnitudes, the individual resistances ( 1 . 1'; 2 . 2 '; 3 . 3 '; 4 . 4 ' ) of the Wheatstone bridge of mutually geometrically parallel magnetoresistive layer strips ( 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' ) with Barber Pole structure ( 10 ) of opposite slope on a support, wherein the individual resistances ( 1 . 1'; 2 . 2 '; 3 . 3 '; 4 . 4 ' ) of the Wheatstone bridge of series circuits of the same number of magnetoresistive layer strips ( 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' ) with Barber Pole structure ( 10 ) of opposite inclination, the magnetoresistive layer strips ( 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' ) of the single resistor ( 1 . 1'; 2 . 2 '; 3 . 3 '; 4 . 4 ' ) in two areas ( 11 . 12 ) whose centerlines ( 14 . 15 ) symmetrically to a central axis ( 13 ), the layer strips ( 9.1 . 9.1 ' respectively. 9.1 ' . 9.1 ) of each individual resistor having a Barber pole structure with mutually opposite inclination in different areas ( 11 respectively. 12 ), and the layer strips ( 9.1 . 9.1 ' respectively. 9.1 ' . 9.1 ) of the respective individual resistor with the same inclination of the Barber pole structure in a respective same area ( 11 respectively. 12 ) of the gradiometer are arranged.

Magnetoresistive gradiometer according to claim 1, characterized in that center lines ( 14 ; 15 ) of the two areas ( 11 ; 12 ) parallel to the central axis ( 13 ) to the base length ( 5 ) of the gradiometer are separated from each other.

Magnetoresistive gradiometer according to claim 2, characterized in that the resistance to each 1 . 1'; 2 . 2 '; 3 . 3 '; 4 . 4 ' ) belonging magnetoresistive layer strips ( 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' ) in the two areas ( 11 ; 12 ) are arranged in the same order.

Magnetoresistive gradiometer according to claim 2, characterized in that the resistance to each 1 . 1'; 2 . 2 '; 3 . 3 '; 4 . 4 ' ) belonging magnetoresistive layer strips ( 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' ) in each of the two areas ( 11 ; 12 ) symmetrical to the respective center line ( 14 ; 15 ) are arranged.

Magnetoresistive gradiometer according to claim 1, characterized in that all magnetoresistive layer strips ( 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' ), Connecting lines ( 16 ) between the layer strips and connection contacts ( 17 ) lie in one plane.

Magnetoresistive gradiometer according to claim 1, characterized in that above or below the magnetoresistive layer strips ( 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' ) against these insulated thin film strip conductors ( 18 ), which are adapted to conduct a control current.

Magnetoresistive gradiometer according to claim 6, characterized by such a large control current that the magnetic field measured by the Wheatstone bridge is compensated.

Magnetoresistive gradiometer according to claim 1, characterized in that with at least two of the resistors ( 1 . 1'; 2 . 2 '; 3 . 3 '; 4 . 4 ' ) of the Wheatstone bridge changeable magnetoresistive resistors ( 20 ) are connected in series.

Magnetoresistive gradiometer according to claim 8, characterized in that the changeable, magnetoresistive resistors and the connection contacts ( 17 ) for the Wheatstone bridge and for the thin-film strip conductors ( 18 ) between the areas ( 11 ; 12 ) with the magnetoresistive layer strips ( 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' ) are arranged.

Magnetoresistive gradiometer according to claim 1, characterized in that instead of the magnetoresistive layer strips ( 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' ) Meander of magnetoresistive layer strips with the respective layer strip ( 9.1 to 9.4 and 9.1 ' to 9.4 ' ) corresponding Barber Pole structure ( 10 ) are provided.

Use of a magnetoresistive gradiometer according to one of claims 1 to 10 for potential-free measuring of currents, characterized in that at least one line ( 19 ), which is suitable for conducting the currents to be measured, parallel to the central axis ( 13 ) is arranged.

Use of a magnetoresistive gradiometer according to claim 11, characterized in that electrical lines of the currents are symmetrical to the central axis ( 13 ) to be ordered.

Use of a magnetoresistive gradiometer according to claim 12, characterized in that it is in the electrical lines around the return line.