DE19737931C1 - Magnetoresistiver Streifenleiter und Magnetfeldsensor zum Erfassen eines Magnetfeldes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetoresistiven Streifenleiter und einen Magnetfeldsensor zum Erfassen eines Magnetfeldes. Derartige Streifenleiter finden bevorzugt beim Aufbau von Winkelsensoren Verwendung.

Magnetoresistive Sensoren auf der Basis von Permalloy, bestehend aus mehreren in Reihe geschalteten Streifenleitern, finden neben der Detektion von Strom und Magnetfeldern auch zunehmend Einsatz für eine Lage- und Positionserkennung. Dabei wirkt ein rotierendes oder alternierendes Magnetfeld auf den Sensor ein, das dadurch charakterisiert ist, daß sich sowohl die Größe des Magnetfeldes in der empfindlichen Richtung des Sensors, als auch die Richtung des Magnetfeldes selbst ändert. Magnetoresistive Sensoren, die als Winkelsensoren verwendet werden, arbeiten üblicherweise nach dem Starkfeldprinzip. Das bedeutet, das der für die Winkeldetektion verwendete Magnet in der Lage sein muß, die magnetoresistiven Streifenleiter magnetisch vollständig zu sättigen. Derartige Sensoren bestehen aus mäandriert angeordneten geradlinigen einzelnen Streifenleitern (vgl. DE 30 11 462 C2). Den einzelnen Streifenleitern ist gemeinsam, daß senkrecht zur Längserstreckung des Streifenleiters eine magnetisch harte Richtung vorliegt. Beim Überschreiten der Richtung der Magnetisierung durch Drehung des äußeren Magneten über die harte Richtung tritt jedoch eine Hysterese auf, die zu einer unerwünschten Mehrdeutigkeit des gewonnen Signals führt. Eine eindeutige Signal-Orts-Korrelation erhält man nur in den Bereichen, in denen der Sensor selbst keine Hysterese aufweist. Diese tritt aber, wenn man nicht zu vergleichsweise hohen und für technische Anwendungen meist nicht üblichen Feldstärken übergeht, generell in der Nähe der magnetisch harten Achsen der magnetoresistiven Sensoren auf. Die Hysterese wird in technischen Anwendungen dadurch umgangen, daß man Sensoren in den Bereichen, in denen sie eine Hysterese zeigen, elektronisch ausblendet und dafür in diesen Bereichen durch zusätzliche, anders orientierte Sensoren ein eindeutiges Meßsignal gewinnt. Durch diesen erhöhten Aufwand wird die Hysterese nicht unterdrückt, sondern lediglich ihre Wirkung auf das Meßergebnis kompensiert.

Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetoresistiven Streifenleiter zum Erfassen eines Magnetfeldes der für eine eindeutige Winkelsensoren verwendbar ist, ohne daß es zusätzlicher Kompensationsmaßnahmen bedarf, anzugeben sowie einen Magnetfeldsensor, der mehrere der Streifenleiter enthält.

Die Aufgabe wird für den Streifenleiter durch die im ersten Patentanspruch angegebenen Merkmale und für den Magnetfeldsensor durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst. Das Wesen der Erfindung besteht in einer neuartigen Ausbildung eines Streifenleiters, der allein durch seine Gestaltung in seinen Streifenleiterendabschnitten das Auftreten einer Hysterese weitestgehend unterdrückt bzw. verhindert. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und schematischer Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die grundsätzliche Ausbildung eines Streifenleiters nach vorliegender Erfindung,

Fig. 2 eine erste mögliche Verschaltung mehrerer Streifenleiter zur Ausbildung eines Winkelsensors,

Fig. 3 eine zweite mögliche Verschaltung mehrerer Streifenleiter zur Ausbildung eines Winkelsensors.

Fig. 1 zeigt einen Streifenleiter 1, der aus einem magnetoresistiven Material gebildet ist und einen ersten, sich geradlinig erstreckenden Steg 10 umfaßt, an dessen beiden Endseiten 11 sich magnetoresistive Bereiche 2 anschließen, die vom Steg 10 aus gesehen auf der gleichen Stegseite, in Fig. 1 nach oben, unter einem Winkel α abgeführt sind. Bevorzugt bestehen die Bereiche 2 aus dem gleichen Material wie der Stegbereich 10 und sind in einem Beschichtungszyklus und mikrolithografischen Prozeß hergestellt. Im Rahmen der Erfindung muß der Betrag des Winkels α wenigstens 5° und kann bis zu 90° betragen. Ebenso kann es vorteilhaft sein, die Bereiche 2, wie in Fig. 1 dargestellt, gekrümmt auszuführen, um ein besseres Durchlaufen der die Hysterese verursachenden magnetischen Wände zu gewährleisten. Die Gesamtlänge eines solchen einzelnen Streifenleiters beträgt in der Praxis inklusive der Bereiche 2 zwischen 100 µm und 500 µm. Die Stegbreite, die im Rahmen der Erfindung ansonsten von untergeordneter Bedeutung ist, beträgt üblicherweise zwischen 10 µm und 25 µm. Die mittlere Länge L der Bereiche 2 ist mit der Maßgabe festgelegt, daß L mindestens dem Fünffachen einer Größe

mit den materialspezifischen Parametern des magnetoresistiven Materials A = Austauschkonstante, M = Magnetisierung, µ₀ als der Permeabilität und H als der Feldstärke des angelegten Magnetfeldes, eines äußeren, nicht näher dargestellten Magneten, entspricht. In einem praktischen Beispiel bedeutet dies bei Verwendung von Permalloy mit einer Austauschkonstanten A = 10^-11 J/m und einer Magnetisierung M = 800 kA/m, bei einem angelegten Magnetfeld in der Größe von H = 4.10³ A/m, was nach obiger Formel einen Wert von 50 nm ergibt, daß die Länge L zu 250 nm festzulegen ist.

Mit derart ausgebildeten Streifenleitern lassen sich Winkelsensoren aufbauen, wie sie in einer ersten Ausführungsvariante in Fig. 2 in einem Teilausschnitt dargestellt sind. Dabei werden mehrere, in der praktischen Realisierung bspw. zehn, zu einem Mäander verschaltete Streifenleiter eingesetzt. Im Beispiel der Fig. 2 sind jeweils zwei benachbarte abgewinkelte Bereiche 2 einseitig durch Brücken 3 aus einem nichtmagnetischen, elektrisch leitfähigen Material, bspw. Gold, miteinander elektrisch in Reihe geschaltet. Der Richtungssinn aller Streifenleiter ist in diesem Beispiel identisch festgelegt.

Eine weitere Ausführungsform zur Schaffung eines Winkelsensors ist in Fig. 3 schematisch angedeutet. Dort sind zunächst jeweils zwei Streifenleiter 1a und 1b, die nach den gleichen Maßgaben wie oben beschrieben ausgebildet sind, wobei hier die Bereiche 2 stufenartig ausgeführt sind und der Winkel α somit 90° beträgt, mit entgegengesetztem Richtungssinn miteinander verbunden. Dabei soll die Längenausdehnung b des Verbindungsgebietes möglichst kurz sein (gegen Null gehen), um eine hohe Mäanderdichte zu erreichen. Mehrere solcher Paarungen 1a, 1b sind untereinander über Verbindungswege c wieder mäanderartig elektrisch in Reihe verschaltet. Die Länge des Verbindungsweges c ist dabei ebenfalls möglichst kurz zu halten, wenn dieses Wegstück nicht elektrisch kurz geschlossen ist, was bspw. durch eine Überbrückung mit einer Goldschicht erreichbar wäre, um die Empfindlichkeit des Sensors hoch zu halten.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Streifenleiters mit einem Winkel α von 5° kann der Hystereseverlauf eines Winkelsensors soweit unterdrückt werden, daß Hysteresen in Winkelbereichen kleiner 5° rechts und links der harten Achse auftreten, wohingegen ein ansonsten identisch ausgebildeter Sensor mit nur geradlinigen Streifenleitern eine solche Hysterese in einem Winkelbereich von bis zu 20° rechts und links der harten Achse zeigt. Damit kann der Winkelbereich, in dem dieser Sensor für eine Winkeldetektion verwendbar ist, um jeweils 15° vergrößert werden. Bei Vergrößerung des Winkels α läßt sich die Hysterese weiter unterdrücken und bis zu Null führen.

Claims (8)

1. Magnetoresistiver Streifenleiter zum Erfassen eines Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifenleiter (1) aus einem sich geradlinig erstreckenden Steg (10) besteht, an dessen beiden Endseiten (11) Bereiche (2), bestehend aus einem magnetoresistiven Material, angeschlossen sind, die vom Steg (10) in seiner Längserstreckung aus gesehen auf der gleichen Stegseite in einem Winkel α abgeführt sind.

2. Magnetoresistiver Streifenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (10) und die sich anschließenden Bereiche (2) einstückig und aus dem gleichen Material ausgeführt sind.

3. Magnetoresistiver Streifenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den sich an den Steg (10) anschließenden Bereichen (2) eine Krümmung gegeben ist.

4. Magnetoresistiver Streifenleiter nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Bereichen (2) jeweils eine mittlere Länge L gegeben ist, die mindestens dem Fünffachen einer Größe
mit den materialspezifischen Parametern des magnetoresistiven Materials A = Austauschkonstante, M = Magnetisierung, µ₀ als der Permeabilität und H als der Feldstärke des angelegten Magnetfeldes, entspricht.

5. Magnetoresistiver Streifenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag der Abführungswinkel α zwischen 5° und 90° festgelegt ist.

6. Magnetfeldsensor, enthaltend mehrere magnetoresistive Streifenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifenleiter mit ihren geradlinigen Stegabschnitten (10) zueinander parallel ausgerichtet und untereinander über die abgewinkelten Bereiche (2) zu einem Mäander verbunden sind.

7. Magnetfeldsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei benachbarte abgewinkelte Bereiche (2) einseitig durch Brücken (3) aus einem nichtmagnetischen, elektrisch leitfähigen Material miteinander verbunden sind.

8. Magnetfeldsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei benachbarte abgewinkelte Bereiche (2) zweier Streifenleiter (1a, 1b) mit entgegengesetztem Abwinklungssinn miteinander verbunden sind.