DE19810838A1 - Sensorsubstrat für mangetoresistive Sensoren mit einer Substratschicht und darauf angeordneten Sensorelementen - Google Patents

Abstract

Sensorsubstrat zur Bildung von magnetoresistiven Sensoren, insbesondere von 360 DEG -Winkelsensoren, vorzugsweise als giantmagnetoresistive, magnetic-tunnel-junction oder spin-valve-transistor Sensoren, mit einer Substratschicht und darauf angeordneten Sensorelementen, wobei auf dem Substrat unterschiedliche Bereiche mit Sensorelementen mit im wesentlichen homogener Anisotropie angeordnet sind, wobei die Sensorelemente unterschiedliche Vorzugsrichtungen der Anisotropie aufweisen, und wobei die Sensorelemente unterschiedlicher Anisotropie längs mindestens einer im wesentlichen geradlinigen Reihe in periodischer Folge angeordnet sind.

Description

Ein solches Substrat wird beispielsweise zur Bildung von ma­ gnetoresistiven Winkelsensoren, insbesondere in Form von giant-magnetoresistiven Sensoren verwendet. Bei diesen Senso­ ren ist eine sogenannte Biasschicht vorgesehen, die magne­ tisch härter ist als eine vorhandene möglichst weiche Meß­ schicht. Die einzelnen Schichten können dabei auch durch meh­ rere zu einem Paket gestapelte Schichten ersetzt sein. Die Meßschicht und die Biasschicht sind bei den giant­ magnetoresistiven Systemen durch eine nicht-magnetische Zwi­ schenschicht gegenseitig magnetisch entkoppelt, bei magnetic­ tunnel-junction-Sensoren durch eine Tunnelbarriere. Liegt kein äußeres magnetisches Feld an dem System an, stehen die Magnetisierungen der beiden Schichten in einem beliebigen Winkel zueinander. Unter dem Einfluß eines äußeren Magnetfel­ des richtet sich die Magnetisierung der weichmagnetischen Meßschicht entsprechend der Richtung des externen Magnetfel­ des aus, die Ausrichtung der magnetisch härteren Biasschicht bleibt dabei annähernd unverändert. Der Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der beiden Schichten bestimmt den Widerstand des Mehrschichtsystems. Dieser Widerstand ist mit Hilfe eines über das System geführten Stromes meßbar und dient als Grundlage zur Ermittlung eines mittels des Sensor­ systems erfaßbaren Wertes, beispielsweise eines Raumwinkels.

Grundliegend bei diesem System ist u. a. die Biasschicht, die im oben beschriebenen Fall zur Winkelbestimmung dient. Die Magnetisierung der Biasschicht muß vorher eingestellt werden. Da zur Bildung eines Winkelsensors wenigstens zwei Sensorele­ mente mit unterschiedlich ausgerichteter Biasschichtmagneti­ sierung erforderlich sind, und da beide Sensorelemente zweck­ mäßigerweise auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sein sollen, da ein nachträglicher Zusammenbau problematisch ist und zu unbefriedigenden Meßergebnissen führt, ergeben sich hinsichtlich der Ausrichtung der Biasschicht Magnetisierungs­ schwierigkeiten. Der nicht vorveröffentlichten Patentanmel­ dung 197 42 134.2 ist eine Sensoreinrichtung zur Richtungser­ fassung eines äußeren Magnetfeldes mittels eines magnetoresi­ stiven Sensorelements zu entnehmen, das aus mehreren einzel­ nen Sensorelementen besteht. Die Sensorelemente sind auf ei­ nem gemeinsamen Substrat angeordnet. Bei dem in dieser Schrift beschriebenen System müssen in den Biasschichten oder den Biasschichtpaketen der einzelnen Sensorelemente auf eng­ stem Raum die Magnetisierungsrichtungen mit verschiedenen Ausrichtungen eingeprägt werden. Dies geschieht mittels eines stromdurchflossenen Streifenleiters, der ein Einstell- Magnetfeld erzeugt und der oberhalb der einzelnen Sensorele­ mente angeordnet ist. Der Streifenleiter kann entweder direkt und isoliert auf dem jeweiligen System aufgebracht sein, also mit diesem verbunden sein, oder getrennt von diesem in Form einer Maske oder der gleichen oberhalb positioniert werden. Bei dem in der Patentanmeldung beschriebenen Ausführungsbei­ spiel besteht jedes System aus vier Sensorelementen, wobei die Magnetisierungsrichtung der hintereinandergeschalteten Sensorelemente jeweils senkrecht aufeinander steht. Die Ein­ stellstreifenleiteranordnung ist dabei derart, daß vier groß­ flächige Leiterbereiche vorgesehen sind, die zur Unterteilung einzelner Leiterbahnen teilweise geschlitzt ausgebildet sind, wobei die Schlitze von Leiterabschnitt zu Leiterabschnitt je­ weils senkrecht aufeinander stehen. Die großflächigen Leiter­ abschnitte selbst sind im wesentlichen rechtwinklig ausgebil­ det. Der Strom wird an einem Ende des Streifenleitersystems eingeführt, durchläuft infolge der geschlitzten Konfiguration die einzelnen Leiterabschnitte des großflächigen Abschnittes und wird am anderen Ende des Leiterabschnittes mittels einer Kontaktbrücke zum jeweiligen nächsten Leiterabschnitt ge­ führt, wo er ebenfalls sämtliche einzelnen Streifenleiter­ stücke durchläuft. Diese Konfiguration ist deshalb zu wählen, damit das erzeugte Magnetfeld tatsächlich senkrecht zur Längsrichtung der jeweiligen großflächigen Leiterabschnitte erzeugt wird und nicht unter einem Winkel dazu, wie dies bei nichtgeschlitzter Ausführungsform der Fall wäre, da dann der Strom den kürzesten, nämlich diagonalen Weg wählen würde und folgedessen das Magnetfeld unter einem Winkel stehen würde. Neben dem Umstand, daß die Konfiguration äußerst umständlich in ihrer Herstellung und Anwendung ist, ergeben sich Schwie­ rigkeiten aus den jeweiligen Kontaktbrücken, die relativ schmal sind, über welche jedoch ein verhältnismäßig großer Strom zu führen ist. Denn wie beschrieben, ist die Biasmagne­ tisierung, also letztlich eine Anisotropie einzuprägen, d. h., es ist ein relativ starkes Magnetfeld zu erzeugen. Diese Stromengpässe kann man umgehen, indem man die Kontaktbrücken vergrößert, was zu einer flächenmäßig schlechten Ausnutzung des Substrats führt, da ersichtlich aufgrund der Anordnung der Streifenleiter die Sensorelemente entsprechend weit von einander beabstandet angeordnet werden müssen.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Sensor­ substrat anzugeben, das zur Bildung von magnetoresistiven Sensoren, insbesondere in Form von Winkelsensoren geeignet ist, bei dem die Sensorelemente in ihrer räumlichen Anordnung so plaziert sind, daß die Substratfläche weitgehend optimiert ausgenutzt werden kann, und die unter Verwendung einfach aus­ gebildeter Einstelleiter in ihrer Biasschichtmagnetisierung eingestellt werden können.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Sensorsubstrat der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß auf dem Substrat unterschiedliche Bereiche mit Sensorelementen mit im wesentlichen homogener Anisotropie angeordnet sind, wobei die Sensorelemente unterschiedliche Vorzugsrichtungen der Anisotropie aufweisen, und wobei die Sensorelemente un­ terschiedlicher Anisotropie längs mindestens einer im wesent­ lichen geradlinigen Reihe in periodischer Folge angeordnet sind.

Das erfindungsgemäße Sensorsubstrat besitzt also vorteilhaft Sensorelemente mit einer Anisotropie, also leichten Achsen, längs welcher bevorzugt und unter Anwendung geringer Ein­ stellfelder die Magnetisierung ausrichtbar ist. Infolge der gegebenen Anisotropie ist es vorteilhaft möglich, mit Ein­ stellfeldern zu arbeiten, die nicht parallel zur leichten Achse verlaufen, da die Magnetisierung bevorzugt eben längs der leichten Achse ausgerichtet wird und dort verbleibt. In­ folgedessen und bedingt durch die Anordnung der Sensorelemen­ te in Form wenigstens einer Reihe, innerhalb welcher die Sen­ sorelemente geradlinig hintereinander und mit einer vorbe­ stimmten Periodizität hinsichtlich der Richtung der Anisotro­ pie angeordnet sind, kann im einfachsten Fall auch der Ein­ stellstreifenleiter geradlinig längs der Reihe verlaufend ausgebildet sein. Das heißt, die komplizierte Ausbildung ge­ mäß der Patentschrift 197 42 134.2 ist beim erfindungsgemäßen Sensorsubstrat mit den vorhandenen Anisotropien nicht mehr erforderlich. Hierdurch bedingt ist es auch ohne weiteres möglich, die Sensorelemente hinreichend eng nebeneinander zu ordnen, so daß sich die gegebene Substratfläche noch besser ausnutzen läßt. Sind mehrere solcher Reihen nebeneinander ge­ ordnet, kann der Einstellstreifenleiter vorteilhaft als Mäan­ der ausgebildet sein, wobei selbstverständlich die einzelnen längeren Leiterabschnitte entsprechend der Reihenanordnung zueinander beabstandet vorgesehen sind. Die Anisotropie der Sensorelemente ist erfindungsgemäß eine induzierte Anisotro­ pie, aber eine aufgrund einer Wechselwirkung der Substratschicht mit dem Sensorelement erzeugte Anisotropie.

Wie bereits beschrieben, sind die Sensorelemente der unter­ schiedlichen Anisotropien innerhalb einer Reihe in periodi­ scher Folge angeordnet. Um, wie erfindungsgemäß ferner vorge­ sehen sein kann, separate Sensorbrücken zu bilden, insbeson­ dere um hieraus 360°-Winkelsensoren zu fertigen, wozu erfin­ dungsgemäß die Sensorelemente unterschiedlicher Anisotropie entsprechend benachbart zueinander angeordnet sind, kann fer­ ner vorgesehen sein, daß mehrere im wesentlichen parallel zu­ einander verlaufende Reihen vorgesehen sind. Ferner können die Sensorelemente zusätzlich längs mindestens einer weite­ ren, zur mindestens einen ersten Reihe senkrecht stehenden Reihe in periodischer Folge angeordnet sind. Dies ermöglicht einerseits eine optimierte Raumausnutzung, andererseits auch die Verwendung eines weiteren Leiters zur Erzeugung eines Schüttelfeldes oder eines weiteren Einstellfeldes, wobei hierauf noch nachfolgend näher eingegangen wird.

Erfindungsgemäß können die Sensorelemente einer Reihe zwei unterschiedlich gerichtete Anisotropien aufweisen, wobei die­ se Anisotropien für 360°-Winkelsensoren bevorzugt einen Win­ kel von im wesentlichen 90° zueinander einnehmen. Es gibt aber auch Ausführungsformen, bei denen drei Anisotropierich­ tungen (0°, 60°, 120°) oder noch mehrere zur Bildung von Win­ kelsensoren ausgenützt werden. Man kann auf diese Weise die Genauigkeit der Sensoren weiter steigern. Dabei können die Sensorelemente erfindungsgemäß derart angeordnet sein, daß die erste und die zweite Anisotropie zur jeweiligen Rei­ henachse unter einem Winkel von ungefähr 45° stehen, oder daß die erste Anisotropie zur Reihenachse unter einem Winkel von 0° oder 90° und die zweite Anisotropie unter einem Winkel von 90° oder 0° steht. Besonders vorteilhaft ist hierbei die er­ ste Erfindungsalternative. Wie bereits beschrieben sind in­ folge der induzierten Anisotropien zur Magnetisierungsein­ stellung Magnetfelder ausreichend, die nicht exakt in Rich­ tung der leichten Achse ausgerichtet sind, da die Magnetisie­ rung einfach und bevorzugt in Richtung der leichten Achse dreht. Infolgedessen können hier mit besonderem Vorteil ein­ fache, geradlinige Leiter verwendet werden, deren Längsachse ebenfalls unter einem Winkel von 45° zur Anisotropie steht, da die Streifenleiter insoweit parallel zur Reihe laufen. Die Ausgestaltung der Einstelleiter ist somit hier besonders ein­ fach, es wird nur ein einziger Einstellstreifenleiter benö­ tigt. Im zweiten erfindungsgemäßen Beispiel, bei dem die er­ ste und die zweite Anisotropie parallel bzw. senkrecht zur jeweiligen Reihenachse steht, sind zwei einander überlagerte Einstelleiter erforderlich, wobei die beiden mäanderförmigen Leiter um 90° versetzt angeordnet sind, sofern die jeweiligen Sensorelementreihen senkrecht zueinander stehen. Auch hier können äußerst einfach strukturierte Leiterkonfigurationen verwendet werden, wenngleich bei dieser Ausgestaltung zwei Leiter erforderlich sind.

Wie bereits beschrieben, sind die Sensorelemente zweckmäßi­ gerweise zur Bildung von Sensorbrücken angeordnet, wobei ins­ besondere eine Anordnung gewählt wird, aus der problemlos 360°-Winkelsensoren bestehend aus zwei Sensorbrücken gebildet werden können. Eine zweckmäßige Anordnung der Sensorelemente für die Bildung einer Vollbrücke sieht zu diesem Zweck vor, daß innerhalb der mindestens einen ersten Reihe jeweils zwei Sensorelemente gleicher Anisotropie periodisch wechselnd hin­ tereinander angeordnet sind, ferner können innerhalb der min­ destens einen weiteren Reihe Sensorelemente unterschiedlicher Anisotropie abwechselnd hintereinander angeordnet sein.

Die Anisotropiebereiche können zweckmäßigerweise durch Struk­ turieren der Substratschicht gebildet sein, wobei sie zweck­ mäßig durch Ausbilden von erhabenen, jeweils ein Sensorele­ ment tragenden Substratabschnitten gebildet sind, welche er­ findungsgemäß als mäanderförmige Streifen oder dergleichen ausgebildet sein können. Die Induktion von Anisotropien durch Oberflächenstrukturierung ist aus der Patentanmeldung 196 33 362.8 bekannt.

Die Sensorelemente können ferner auch als giant­ magnetoresistive, magnetic-tunnel-junction oder spin-valve- transistor Schichtsysteme ausgebildet sein.

Neben dem Sensorsubstrat selbst betrifft die Erfindung ferner einen magnetoresistiven 360°-Winkelsensor, bestehend aus ei­ nem Sensorsubstrat mit zwei jeweils vier Sensorelemente auf­ weisenden Sensorbrücken, wobei vier Sensorelemente eine erste Anisotropie und vier Sensorelemente eine zur ersten Anisotro­ pie in einem Winkel von vorzugsweise 90° stehende zweite Ani­ sotropie aufweisen. Das Sensorsubstrat ist erfindungsgemäß wie vorbeschrieben ausgebildet.

Schließlich betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zum Einstellen der Biasschichtmagnetisierung von auf einer Substratschicht angeordneten Sensorelementen mittels eines magnetischen Einstellfeldes, das von einem stromdurchflosse­ nen Leiter nahe der Sensorelemente erzeugt wird. Erfindungs­ gemäß sieht dieses Verfahren vor, daß ein Sensorsubstrat mit in einer oder mehreren im wesentlichen geradlinigen, ggf. zu­ einander im wesentlichen parallel verlaufenden Reihen ange­ ordneten Sensorelementen, von denen jedes eine Anisotropie aufweist, verwendet wird, wobei ein Teil der Sensorelemente eine erste Anisotropie und die anderen Teile eine zweite, dritte oder vierte Anisotropie aufweisen, die unterschiedlich zueinander gerichtet sind, sowie mindestens ein entsprechend Oder Anordnung der Reihe(n) geführter Leiter, der dem Sensor­ substrat zugeordnet ist oder wird und entsprechend der Rei­ henform geradlinig geführt ist, und der zur Erzeugung des Einstellfeldes für eine vorbestimmte Zeit mit einem vorbe­ stimmten Strom durchflossen wird, so daß alle Sensorelemente eingestellt werden. Der Einstelleiter kann dabei direkt am Sensor in entsprechend isolierter Anordnung vorgesehen sein, gleichermaßen kann er eine separate Einrichtung sein. Sind mehrere Reihen vorhanden, kann erfindungsgemäß ein mäander­ förmig geführter Leiter verwendet werden.

Zweckmäßigerweise wird ein Sensorsubstrat verwendet, bei dem die beiden Anisotropien unter einem Winkel von im wesentli­ chen 90° zueinander stehen. Ferner sollte ein Sensorsubstrat mit mehreren Reihen verwendet werden, wobei jede Reihe Senso­ relemente mit der ersten und der zweiten Anisotropie auf­ weist. Als vorteilhaft zur Bildung von Vollbrücken hat es sich ferner erwiesen, wenn ein Sensorsubstrat mit mehreren Reihen verwendet wird, bei dem die Sensorelemente in Form von jeweils vier Sensorelemente umfassenden Sensorbrücken ange­ ordnet sind, wobei jeweils zwei Sensorelemente einer Sensor­ brücke in einer ersten Reihe und die anderen zwei Sensorele­ mente in der benachbarten Reihe angeordnet sind. Dabei können gemäß einer ersten Erfindungsalternative bei dem verwendeten Substrat die beiden Anisotropien unter einem Winkel von im wesentlichen 45° zur Reihenachse und damit zum der Reihe zu­ geordneten Leiterabschnitt stehen.

Zwar wird im idealen Fall von einer sauberen, uniaxialen Ani­ sotropie ohne Hysterese ausgegangen, das heißt, im Idealfall sollte sich die Magnetisierung vollständig und ohne Behinde­ rung in der leichten Achse ausrichten. Dies wird nicht immer erreicht. Um hier Abhilfe zu schaffen, kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, daß während und/oder nach dem Ein­ stellen unter Verwendung eines weiteren stromdurchflossenen Leiters ein unter einem Winkel, insbesondere von 90° zum Ein­ stellfeld stehendes magnetisches Schüttelfeld erzeugt wird. Während des Schüttelns werden Ströme mit vorbestimmten Ampli­ tuden und Phasen durch die Schüttelstromleiter geschickt. Für den Fall, daß das Schütteln nach dem Einstellen erfolgt, kann der "Schüttelstrom" ebenfalls durch die Einstelleiter geführt werden. Durch dieses Schütteln werden vorteilhaftsweise die Magnetisierungen nahezu vollständig in Richtung der leichten Achse ausgerichtet.

Gemäß einer Erfindungsalternative kann erfindungsgemäß ein Sensorsubstrat verwendet werden, bei dem die erste und die zweite Anisotropie im wesentlichen parallel bzw. senkrecht zur Reihenachse gerichtet ist, wobei ein zweiter Leiter zur Erzeugung eines zweiten Einstellfeldes verwendet wird, wobei der mäanderförmig geführte zweite Leiter und das von ihm er­ zeugte Einstellfeld unter einem Winkel von im wesentlichen 90° zum ersten Leiter bzw. im ersten Einstellfeld stehen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindungen ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungs­ beispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Darstellung der Anordnung der Sensorelemente auf einem insoweit nicht gezeig­ ten Sensorsubstrat,

Fig. 2 eine Prinzipskizze, die zwei Sensorbrücken zeigt, die um 90° verschobene Signale für 360°- Winkeldetektoren liefern,

Fig. 3 eine Prinzipskizze zweier Sensorbrücken, die unter­ einander zur Bildung eines 360°-Winkeldetektors elektrisch gekoppelt sind, sowie die zugeordneten Schüttelfeld-Leiter, und

Fig. 4 eine Prinzipskizze zur Darstellung zweier elek­ trisch gekoppelter Sensorbrücken, wobei die Magne­ tisierungen der Biasschicht parallel bzw. senkrecht zu den beiden verwendeten Einstelleitern liegen.

Fig. 1 zeigt in einer Prinzipskizze die Sensoranordnung auf einem insoweit nicht näher gezeigten Sensorsubstrat mit zwei Typen von Sensorbrücken, die zur Bildung eines 360°- Winkeldetektors benötigt werden und um 90° verschobene Signa­ le liefern. Die Brücken 1a, b, c bzw. 2a, b, c bestehen je­ weils aus vier Sensorelementen 3a, b, c, d, bzw. 4a, b, c, d.

Ersichtlich sind die Sensorelemente in parallelen, geradlini­ gen Reihen, die in x- und y Richtung laufen, angeordnet. Dies führt zu einer optimalen Ausnutzung der gegebenen Substrat­ fläche. Jedes Sensorelement 3a, b, c, d, bzw. 4a, b, c, d, besitzt eine nicht näher gezeigte Biasschicht oder ein Bias­ schichtsystem mit einer induzierten Anisotropie, wobei die leichte Achse durch die jeweiligen Doppelpfeile 5, 6 darge­ stellt sind. Die leichten Achsen 5, 6 stehen unter einem Win­ kel von 90° zueinander. Bedingt durch die induzierte Ani­ sotropie, die bevorzugt durch entsprechendes Strukturieren des Substrats im Bereich des jeweiligen Sensorelements er­ zeugt wird, dreht sich die Magnetisierung der insoweit nicht näher gezeigten Biasschicht oder des Biasschichtsystemes in Abhängigkeit eines äußeren Einstell-Magnetfelds in Richtung dem leichten Achse. In den Figuren sind die jeweiligen Magne­ tisierungsrichtungen durch die Pfeile innerhalb der jeweili­ gen Sensorelemente angegeben. Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, weisen jeweils zwei Sensorelemente einer jeweiligen Sen­ sor-Vollbrücke zwei gleiche Anisotropien auf, die im gezeig­ ten Beispiel jeweils senkrecht zueinander stehen. Da jeweils zwei Sensorbrücken 1a, 2a, bzw. 1b, 2b, bzw. 1c, 2c je­ weils einen 360°-Winkelsensor ergeben, sind folglich pro Win­ kelsensor acht Sensorelemente mit insgesamt vier unterschied­ lichen Magnetisierungsrichtungen vorhanden.

Um nun die Magnetisierung der harten Biasschicht in Richtung der leichten Achse auszurichten ist ein äußeres Einstell- Magnetfeld erforderlich. Zu diesem Zweck ist ein längs der Reihen verlaufender, mäanderförmig geführter Leiter 7 vorge­ sehen, welcher stromdurchflossen ist. Die Stromrichtung ist jeweils durch die entsprechenden, in Längsrichtung der Lei­ terabschnitte weisenden Pfeile dargestellt, die Richtungen der jeweils von jedem Einstellabschnitt erzeugten Einstell­ felder sind durch die entsprechenden, zur Stromrichtung senk­ recht weisenden Pfeile wiedergegeben. Ersichtlich sind die Richtungen der Einstellfelder nicht parallel zu den leichten Achsen bzw. den Magnetisierungen, die in Richtung der leich­ ten Achsen verlaufen. Bedingt durch die induzierte Anisotro­ pie jedoch drehen die Magnetisierungen bevorzugt in die leichte Achse, so daß geringere und nicht parallel zu den leichten Achsen ausgerichtete Einstellfelder ausreichend sind, um die Magnetisierung in die leichte Achse zu drehen. Infolgedessen sind bei der gewählten Konfiguration die mit­ tels des einzigen, mäanderförmigen Leiter 7 erzeugbaren Ein­ stellfelder ausreichend, die Biasschichten einzustellen.

Fig. 2 zeigt in einer Prinzipskizze zwei mittels jeweils vier Sensorelementen 8a, b, c, d bzw. 9a, b, c, d realisierte Sen­ sorbrücken 10a, 10b, wobei die jeweiligen brückeneigenen Sen­ sorelemente elektrisch miteinander gekoppelt sind und ent­ sprechende Stromeinspeisungspads C und Spannungsabgriffpads V vorgesehen sind. Bei diesen Sensorelementen ist die magneto­ elastische Anisotropie mittels einer durch Oberflächenstruk­ turierung erzeugten mäanderförmigen Streifenstruktur reali­ siert. Die Erzeugung einer derartigen Struktur ist aus der DE 196 33 362 A bekannt. Dabei ist angenommen, daß das Vor­ zeichen des Magnetostriktionskoeffizienten und der durch die Oberflächenstrukturierung im Bereich der Sensorstreifen er­ zeugten Verspannung derartig ist, daß sich die leichte Achse entlang der Streifenrichtung ausbildet. Wie Fig. 2 zu entneh­ men ist, verlaufen die mäanderförmigen Streifen jedes Senso­ relements unter einem Winkel von ± 45° zur Längsachse des Einstelleiters bzw. zur erzeugten Einstell-/ Magnetfeldrich­ tung. In jeder Sensorbrücke 10a, 10h ist die Streifenorien­ tierung für alle Elemente gleich. Auch hier sind wieder die Richtungen der Einstellströme sowie die Einstellfeldrichtun­ gen in Form der Pfeile angegeben.

Entsprechend der leichten Achsen (siehe die Doppelpfeile 11, 12) richten sich die Biasschichtmagnetisierungen, wie durch die in den Sensorelementen angegebenen Pfeile gezeigt, ent­ sprechend aus. Dabei wird im Idealfall davon ausgegangen, daß die uniaxiale Anisotropie sauber und ohne Hysterese ist. Dies läßt sich jedoch nicht immer erreichen, das heißt, es ist nicht immer der Fall, daß sich die Biasmagnetisierung exakt in der leichten Richtung ausrichten läßt. Um dennoch die Ma­ gnetisierung weitestgehend anisotropieparallel auszurichten, wird die Magnetisierung "geschüttelt". Zu diesem Zweck ist, vgl. Fig. 3, ein Schüttelfeldleiter 13 vorgesehen, der eben­ falls mäanderförmig ausgebildet ist und senkrecht zum Ein­ stell-Leiter 7 verläuft. Wie Fig. 3 zeigt, ist der Schüttel­ feldleiter 13 breiter ausgebildet und überdeckt jeweils eine komplette Sensorbrücke, wobei in Fig. 3 ebenfalls zwei Sen­ sorbrücken 14a, 14b gezeigt sind. Angegeben ist auch hier die Richtung des den Leiter 13 durchlaufenden Stromes sowie die Richtung des erzeugten "Schüttelfeldes". Während des Schüt­ telns wird der Strom mit vorbestimmter Amplitude und Phase durch den Leiter 13 geführt. Dies bewirkt, daß eine Schüttel­ feldkomponente parallel zu den Einstelleitern erzeugt wird. Jeder Leiterabschnitt, der einer Sensorbrücke zugeordnet ist, erzeugt ein Feld, das im wesentlichen in Richtung der leich­ ten Achsen gerichtet ist, wobei diese auch hier unter einem Winkel von ± 45° zur Schüttelfeldrichtung stehen, und auch hier die Sensorelemente mit gleicher Biasmagnetisierungskom­ ponente in horizontalen Reihen angeordnet sind. Während des Schüttelns werden nun Ströme mit vorbestimmten Amplituden und Phasen sowohl durch den Einstelleiter 7 wie durch den Schüt­ telfeldleiter 13 geschickt. Die bewirkt, daß sich resultie­ rend ein Feld ausbildet, dessen Richtung sich in Folge der Phasenverschiebung zwischen den Einstellschüttel- und den Schüttelströmen innerhalb eines bestimmten Sektors bewegt. In Fig. 3 sind für den Fall einer Phasenverschiebung von 90° die beiden Schüttelfeldsektoren gezeigt, innerhalb welcher das resultierende Schüttelfeld sich bewegt, wobei hier die Pola­ ritäten der Ströme sich nicht ändern.

Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß bevorzugt der Sektor, in dem sich das resultierende Schüttelfeld bewegt, symme­ trisch bezüglich der Biasmagnetisierungsrichtungen der jewei­ ligen "bearbeiteten" Sensorelementen ist.

Schließlich zeigt Fig. 4 eine weitere Möglichkeit der Anord­ nung der Anisotropien innerhalb der Sensorelemente. Gezeigt sind zwei Sensor-Vollbrücken 15a, 15b bestehend aus jeweils vier Sensorelementen 16a, b, c, d bzw. 17a, b, c, d. Ersicht­ lich stehen hier die durch die entsprechenden Pfeile angege­ benen Magnetisierungsrichtungen der Biasschichten der mäan­ derförmig strukturierten Sensorelemente parallel bzw. senk­ recht zur Achse des Einstellstreifenleiters 7. Bei Stromfluß durch den Leiter 7 wirken nun die erzeugten Magnetfelder ei­ nerseits auf diejenigen Sensorelemente, deren leichte Achse (Doppelpfeil 19) parallel zur Feldrichtung steht, das heißt, die Magnetisierungen dieser Sensorelemente werden ausgerich­ tet. Da die leichten Achsen (Doppelpfeil 20) der anderen Sen­ sorelemente senkrecht zum jeweiligen Einstellfeld steht, er­ fährt die Magnetisierung dieser Sensorelemente keine Ausrich­ tung. Um auch diese Elemente auszurichten, ist ein zweiter Leiter 18 vorgesehen, der ebenfalls mäanderförmig ausgebildet ist und jeweils eine komplette Sensorbrücke belegt. Der zwei­ te Leiter 18 verläuft senkrecht zum ersten Leiter 7, das heißt, in der Gesamtkonfiguration wird eine Art Leiternetz gebildet. Auch hier sind die jeweiligen Einstellstromrichtun­ gen und die jeweiligen Einstellfeldrichtungen angegeben. Wie Fig. 4 zeigt, ist das jeweilige Einstellfeld, das vom Leiter 18 generiert wird, parallel zur in Längsrichtung des Leiters 7 laufenden leichten Achse, so daß die entsprechenden Senso­ relemente mittels des zweiten Einstellfeldes eingestellt wer­ den können.

Claims (26)

1. Sensorsubstrat zur Bildung von magnetoresistiven Sensoren, insbesondere von 360°-Winkelsensoren vorzugsweise als giant­ magnetoresistive, magnetic-tunnel-junction oder spin-valve­ transistor Sensoren, mit einer Substratschicht und darauf an­ geordneten Sensorelementen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf dem Substrat unterschiedliche Be­ reiche mit Sensorelementen (3a-d, 4a-d, 8a-d, 9a-d, 16a-d, 17a-d) mit im wesentlichen homogener Anisotropie angeordnet sind, wobei die Sensorelemente unterschiedliche Vorzugsrich­ tungen der Anisotropie aufweisen, und wobei die Sensorelemen­ te unterschiedlicher Anisotropie längs mindestens einer im wesentlichen geradlinigen Reihe in periodischer Folge ange­ ordnet sind.

2. Sensorsubstrat nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anisotropie der Sensorele­ menten (3a-d, 4a-d, 8a-d, 9a-d, 16a-d, 17a-d) eine induzierte Anisotropie ist.

3. Sensorsubstrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Reihen vorgesehen sind.

4. Sensorsubstrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen­ sorelemente zusätzlich längs mindestens einer weiteren, zur mindestens einen ersten Reihe im wesentlichen senkrecht ste­ henden Reihe in periodischer Folge angeordnet sind.

5. Sensorsubstrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen­ sorelemente einer Reihe zwei unterschiedlich gerichtete An­ isotropien aufweisen.

6. Sensorsubstrat nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die unterschiedlich gerichte­ ten Anisotropien einen Winkel von im wesentlichen 90° zuein­ ander einnehmen.

7. Sensorsubstrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen­ sorelemente (3a-d, 4a-d, 8a-d, 9a-d) derart angeordnet sind, daß die erste und die zweite Anisotropie zur jeweiligen Rei­ henachse unter einem Winkel von ungefähr 45° stehen, oder daß die erste Anisotropie zur Reihenachse unter einem Winkel von 0° oder 90° und die zweite Anisotropie unter einem Winkel von 90° oder 0° steht (Sensorelemente 16a-d, 17a-d)

8. Sensorsubstrat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen­ sorelemente (3a-d, 4a-d, 8a-d, 9a-d, 16a-d, 17a-d) unter­ schiedlicher Anisotropie zur Bildung von separaten Sensor­ brücken (1a-c, 2a-c, 10a, b, 14a, b, 15a, b) angeordnet sind.

9. Sensorsubstrat nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sensorbrücken (1a-c, 2a-c, 10a, b, 14a, b, 15a, b) derart angeordnet sind, daß mittels zweier Sensorbrücken ein 360°-Sensor bildbar ist.

10. Sensorsubstrat nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der 360°-Sensor ein Sensor auf der Basis eines giant-magnetoresistiven Effekts, eines magne­ tic-tunnel-junction-Effekts oder eines spin-valve-transistor- Effekts ist.

11. Sensorsubstrat nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß innerhalb der mindestens einen ersten Reihe jeweils zwei Sensorelemente (3a, c, 3b, d, 4a, c, 4b, d, 8a, c, 8b, d, 9a, c, 9b, d, 16a, c, 16b, d, 17a, c, 17b, d) gleicher Anisotropie periodisch wech­ selnd hintereinander angeordnet sind.

12. Sensorsubstrat nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß innerhalb der mindestens einen weiteren Reihe Sensorelemente (3a, b, 3c, d, 4a, b, 4c, d, 8a, b, 8c, d, 9a, b, 9c, d, 16a, b, 16c, d, 17a, b, 17c, d) unterschiedlicher Anisotropie abwechselnd hintereinan­ der angeordnet sind.

13. Sensorsubstrat nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ reiche durch Strukturieren der Substratschicht gebildet sind.

14. Sensorsubstrat nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bereiche durch Ausbilden von erhabenen, jeweils ein Sensorelement tragenden Substra­ tabschnitten gebildet sind.

15. Sensorsubstrat nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Substratabschnitte als mäanderförmiger Streifen o. dgl. ausgebildet sind.

16. Sensorsubstrat nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen­ sorelemente giant-magnetoresistive, magnetic-tunnel-junction oder spin-valve-transistor Schichtsysteme sind.

17. Magnetoresistiver 360°-Winkelsensor, bestehend aus einem Sensorsubstrat mit zwei jeweils vier Sensorelemente aufwei­ senden Sensorbrücken, wobei vier Sensorelemente eine erste Anisotropie und vier Sensorelemente eine zur ersten Anisotro­ pie in einem Winkel von vorzugsweise 90° stehende zweite Ani­ sotropie aufweisen, dadurch gekennzeich­ net, daß das Sensorsubstrat nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildet ist.

18. Magnetoresistiver 360°-Winkelsensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß es ein giant-magnetoresistiver, ein magnetic-tunnel-junction oder ein spin-valve-transistor Sensor ist.

19. Verfahren zum Einstellen der Biasschichtmagnetisierung von auf einer Substratschicht angeordneten Sensorelementen mittels eines magnetischen Einstellfeldes, das von einem stromdurchflossenen Leiter nahe der Sensorelemente erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensorsubstrat mit in einer oder mehreren im wesentlichen geradlinigen, gegebenenfalls zueinander im wesentlichen par­ allel verlaufenden Reihen angeordneten Sensorelementen, von denen jedes eine Anisotropie aufweist, verwendet wird, wobei ein Teil der Sensorelemente eine erste Anisotropie und der oder die anderen Teile eine zweite, dritte oder vierte Ani­ sotropie aufweisen, die unterschiedlich zueinander gerichtet sind, sowie mindestens ein entsprechend der Anordnung der Reihe(n) geführter Leiter, der dem Sensorsubstrat zugeordnet ist oder wird und entsprechend der Reihenform geradlinig ge­ führt ist, und der zur Erzeugung des Einstellfeldes für eine vorbestimmte Zeit von vorbestimmten Strömen durchflossen wird, so daß alle Sensorelemente eingestellt werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei am Sensorsubstrat vorgese­ henen mehreren Reihen ein mäanderförmig geführter Leiter ver­ wendet wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensorsubstrat ver­ wendet wird, bei dem die beiden Anisotropien unter einem Win­ kel von im wesentlichen 90° zueinander stehen.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Sensor­ substrat mit mehreren Reihen verwendet wird, wobei jede Reihe Sensorelemente mit der ersten und der zweiten Anisotropie aufweist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Sensor­ substrat mit mehreren Reihen verwendet wird, bei dem die Sen­ sorelemente in Form von jeweils vier Sensorelemente umfassen­ den Sensorbrücken angeordnet sind, wobei jeweils zwei Senso­ relemente einer Sensorbrücke in einer ersten Reihe und die anderen zwei Sensorelemente in der benachbarten Reihe ange­ ordnet sind.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Sensor­ substrat verwendet wird, bei dem die beiden Anisotropien un­ ter einem Winkel von im wesentlichen 45° zur Reihenachse und damit zum der jeweiligen Reihe zugeordneten Leiterabschnitt stehen.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, da­ durch gekennzeichnet, daß während des Einstellens unter Verwendung eines weiteren stromdurchflosse­ nen Leiters ein unter einem Winkel, insbesondere von 90° zum Einstellfeld stehendes magnetisches Schüttelfeld erzeugt wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Sensor­ substrat verwendet wird, bei dem die erste und die zweite Anisotropie im wesentlichen parallel bzw. senkrecht zur Rei­ henachse gerichtet ist, und daß ein zweiter Leiter zur Erzeu­ gung eines zweiten Einstellfeldes verwendet wird, wobei der mäanderförmig geführte zweite Leiter und das von ihm erzeugte Einstellfeld unter einem Winkel von im wesentlichen 90° zum ersten Leiter bzw. dem ersten Einstellfeld steht.