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