DE2433645A1

DE2433645A1 - Magnetoresistives element

Info

Publication number: DE2433645A1
Application number: DE2433645A
Authority: DE
Inventors: Iwao Kamiya; Yoshimi Makino; Tsutomu Okamoto
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1973-07-13
Filing date: 1974-07-12
Publication date: 1975-01-30
Also published as: FR2237204A1; US3928836A; NL7409426A; IT1017145B; FR2237204B1; JPS575067B2; DE2433645B2; JPS5028989A; DE2433645C3; NL188119C; CA1021065A; NL188119B; GB1473894A

Description

It 2962

SONY CORPORATION
Tokyo / Japan

Magnetoresistives Element

Die Erfindung betrifft magnetoresistive Elemente und insbesondere ein magnetoresistives Element, das zur Ermittlung der Richtung eines Magnetfeldes geeignet ist.

Es ist bekannt, die Winkellage eines Rotors eines bürstenlosen Elektromotors mittels eines magnetoelektrischen Wandlers zu ermitteln, um die Ströme zu steuern, die in die Statorspule des bürstenlosen Motors fließen. Der magnetoelektrische Wandler kann z.B. eine Halbleiter-Hall vorrichtung, ein magnetoresistives Halbleiterelement, ein planares Hallelement oder ein ferromagnetisches magnetoresistives Element sein.

Die Temperatureigenschaften eines Halbleiterwandlers sind ungeeignet, da sich die Anzahl und die Beweglichkeit der Ladungsträger mit der Temperatur stark ändern. Bine Temperaturkompensationsvorrichtung ist daher bei der Verwendung solcher Halbleiterwandler notwendig. Außerdem ändert sich das Ausgangssignal des Halbleiterwandlers mit der Intensität des Magnetfeldes. Wenn daher der Halbleiterwandler als Schaltelement zur Ermittlung der Richtung

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des Magnetfeldes z.B. in einem bürstenlosen Motor verwendet wird, muß ein zusätzlicher Strom angewandt werden, um die Genauigkeit zu verbessern und eine Begrenzung zu bewirken. Daher sind die Kreise zur Verwendung von Halbleiterwandlern teuer.

Der ferromagnetische Wandler dagegen hat eine geeignete Temperaturcharakteristik, da sich der spezifische Widerstand des ferromagnetisehen Wandlers mit der Temperatur nur sehr gering ändert. Da außerdem der ferromagnetische Wandler mit einem Magnetfeld gesättigt werden kann, kann er eine Selbstbegrenzung bewirken, so daß er gegen eine Änderung der Intensität des Magnetfeldes unempfindlich ist. Daher ist ein ferromagnetischer Wandler zur Verwendung als Schaltelement für die Richtung des Magnetfeldes vorteilhafter als ein Halbleiterwandler. Außerdem hat ein planares Hallelement den Nachteil, daß seine Ausgangsspannung niedrig ist, und daß es die Verwendung eines Verstärkers mit hoher Verstärkung erfordert. Außerdem hat ein übliches magnetoresistives Element mit zwei Anschlüssen den Nachteil, daß die unsymmetrische Spannung einige Größenordnungen mal so hochist wie die Ausgangsspannung, obwohl die Ausgangsspannung beträchtlich hoch ist, und daß die Drift infolge der Änderungen der Temperatur kompensiert werden muß.

Aus der US-PS 3 405 355 ist ein Magnetometer bekannt, das dünne Magnetfilme mit magnetoresistiven Eigenschaften verwendet. Die Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand des Materials und dem Drehwinkel der Magnetisierung in dem Film wird zur Messung externer Magnetfelder verwendet. Wenn ein Vorspannungsfeld auf die magnetoresitiven Filme angewandt wird, können Filme hoher Intensität gemessen werden.

Das magnetoresistive Element gemäß der Erfindung hat die Vorteile des planaren HalIelernente und des üblichen magnetoresistiven Elements, ohne die oben erwähnten Nachteile.

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Das magnetoresistive Element gemäß der Erfindung ist in der Lage, eine große Änderung der Ausgangsspannung bei Änderungen der Richtung eines Magnetfeldes zu erzeugen. Das Element gemäß der Erfindung kann eine Schaltfunktion leicht durchführen und ist daher zur Ermittlung der Winkelstellungen des Rotors eines bürstenlosen Motors geeignet.

Durch die Erfindung wird ein magnetoresistives Element geschaffen, das ein isolierendes Substrat, einen ersten stromleitenden ferromagnetisehen Metallfilmstreifen auf dem Substrat mit einer Stromleitfähigkeit, die in einer Richtung vorherrscht, einen zweiten stromleitenden ferromagnetischen Metallfilmstreifen mit einer Stromleitfähigkeit, die in einer Richtung vorherrscht, die im wesentlichen senkrecht zu der des ersten Streifens ist, wobei die Enden der Streifen verbunden sind, einen Stromeingangsanschluß, der mit den gegenüberliegenden Enden der Streifen verbunden ist, und einen Ausgangsanschluß aufweist, der an den Verbindungspunkt der beiden Streifen angeschlossen ist. Die beiden Streifen können auf der gleichen Seite oder auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats angeordnet sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 8 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines magnetοresistiven Elements gemäß der Erfindung,

Figur 2 ein Ersatzschaltbild der Fig. 1,

Figur 3 eine Aufsicht einer Ausführungsform eines magnetoresistiven Elements.gemäß der Erfindung,

Figur 4 ein Diagramm, aus dem die Beziehung zwischen der Änderung der Ausgangsspannung des magnetoresistiven Elements und der Richtung des an das Element angelegten Magentfeldes hervorgeht,

Figur 5 eine Aufsicht einer weiteren Ausführungsform eines magnetoresistiven Elements gemäß der Erfindung^ Q988B/1316

Figur 6 eine Ansicht von unten der Fig. 5,

Figur 7 einen Querschnitt längs der Linie VII-VH der Fig. 5, und

Figur 8 ein Ersatzschaltbild, aus dem drei parallelgeschaltete magnetoresistive Elemente hervorgehen.

Fig. 1 zeigt ein magnetoresistives Element 1, das aus zwei Streifen A und B aus ferromagnetischem Material mit einem magnetoresistiven Effekt besteht. Die Längsrichtung des Streifens A ist senkrecht zu derjenigen des Streifens B. Die Streifen A und B sind elektrisch in Reihe geschaltet. Stromversorgungsanschlüsse 2 und 3 sind mit den gegenüberliegenden Enden der Streifen A und B verbunden. Ein Ausgangsanschluß 4 ist an den Verbindungspunkt der Streifen A und B angeschlossen. Eine Spannungsquelle 5 ist zwischen die Stromversorgungsanschlüsse 2 und 3 geschaltet. Ein Stromversorgungsanschluß 3 ist geerdet. Auf diese Weise erhält man einen Sensorkreis 6 für Magnetfelder.

Ein Magnetfeld H, das ausreicht, um die Streifen A und B zu sättigen, die aus ferromagnetischem Material hergestellt sind, wird auf die Streifen A und B unter einem Winkel θ zur Längsrichtung des Streifens A angewandt. Im allgemeinen ist der Widerstand eines gesättigten ferromagnetischen Materials anisotrop. Die Widerstände q _A und C₁, der Streifen A und B werden durch die folgende Voigt-Thomson-Gleichung ausgedrückt:

wobei der Widerstand des ferromagnetischen Streifens A oder B ist, wenn er mit einem Magnetfeld senkrecht zur Längsrichtung des ferromagnetischen Streifens A oder B gesättigt ist, und „ der Widerstand des ferromagnetischen Streifens, wenn er mit einem Magnetfeld parallel zur der Längsrichtung des ferromagnetischen Streifens A oder B gesättigt ist.

Fig. 2 zeigt einen Fig. 1 entsprechenden Kreis. Die Spannung ν(θ) am Ausgangsanschluß 4 ist gegeben durch

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wobei V_Q die Spannung der Spannungsquelle 5 ist.

Durch Substitution der Gleichungen (1) und (2) erhält man:

Viel - ^V° - ^A(?^cos2e ν (4)

wobei Δ S

In der Gleichung (4) stellt das erste Glied eine Standard spannung V (V_ = —ψ—) und das zweite Glied eine Ände rung der Ausgangsspannung ν(θ) dar.

Das zweite Glied ^V(Θ) wird umgewandelt in

Δν(θ) = - ~Η . cos 2Θ . V_o (5)

-> ο

wobei 2 <? = Qi, + <?_/ und <? ist der Widerstand des ferro- s> ο " ^J -^ jo

magnetischen Streifens A oder B, wenn kein Magnetfeld an den ferromagnetischen Streifen A oder B angelegt wird.

Die absolute Größe der Änderung der Ausgangsspannung ist bei den Winkeln 0°, 90°, 180° und 270° maximal. Ein Schaltvorgang kann dann am zweckmäßigsten durchgeführt werden, wenn beide Arten Magnetfelder unter Winkeln von 0° und 90° auf die ferromagnetische^ Streifen A und B angewandt werden, da die Vorzeichen der Änderungen /\V(Θ) bei den Winkeln 0° und 90° einander entgegengesetzt sind.

Aus der Gleichung (5) ergibt sich, daß die Änderung der Ausgangsspannung unabhängig von der Intensität des Magnetfeldes H ist, obwohl sie sich mit der Richtung des Magnetfeldes ändert. Es ist ersichtlich, daß die Intensität des Magnetfeldes H ausreichend sein sollte, um die ferromag-

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netischen Streifen A und B zu sättigen.

Außerdem muß, wie die Gleichung (5) zeigt, das iuagnefeoresistive Element 1 aus ferromagnetisehern Material mit einem großen Verhältnis von A^/ <j> hergestellt werden, um die Änderung der Ausgangsspannung in geeigneter Weise zu erhöhen.

bei denen A^/ <? bei Raumtemperatur mehr als 2 % beEs sind die folgenden ferromagnetischen Metalle bekannt, bei de]
trägtϊ

Metall Z^Q /<?_(%) Metall

Ni	2,66	76Ni-24Fe	3,79
80NX-20CO	6,48	70Ni-30Fe	2,50
90Ni-IOCo	5,02	9ONi-IOCu	2,6O
70Ni-3OCO	5,53	83Ni-I7Pd	2,32
60Ni 40Co	5,83	69Ni-31Pd	2,03
50NX-50CO	5,05	97Ni-3Sn	2,28
40N1-60CO	4,30	99Ni-IAl	2,40
30Ni-70Co	3,40	98Ni-2Al	2,18
90Ni-IOFe	4,60	9 8Ni-2Mn	2,93
8ONi-2OFe	3,55	94Ni-6Mn.	2,48
		95Ni-5Zn	2,60

Jedes der obigen ferromagnetischen Metalle kann als Material des magnetoresistiven Elements 1 gemäß der Erfindung verwendet-werden. Unter den obigen ferromagne-rtischen Metallen ist^/^ _q bei einer 80Ni-20Co-Legierung maximal (6,48 %). Verglichen mit einer Ni-Fe-Legierung ist die 80Ni~20Co-Legierung sehr säurebeständig, billig und lötbar. Daher ist die 80Ni-20Co-Legierung das praktisch am geeignetste Material für das magnetoresistive Element.

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Ein weiterer Faktor für die Änderung der Ausgangsspannung ist die Spannung V der Spannungsquelle. 5. Es ist möglich, die Änderung der Ausgangsspannung mit der Spannung V wie durch die Wahl eines geeigneten ferromagnetischen Materials zu erhöhen. Es ist jedoch nicht erwünscht, daß die Spannung der Spannungsquelle 5 erhöht wird, da der Leistungsverbrauch des magnetoresistiven Elements mit der Spannung V erhöht wird und dadurch eine große Wärme erzeugt wird. Der Leistunqsverbräuch W -ist dem Quadrat der Spannung V proportional und dem Widerstand

V 2
So <^W= -2V-⁵

umgekehrt proportional. Daher kann die Änderung der Ausgangsspannung derart erhöht werden, daß der Widerstand £ des magnetoresistiven Elements 1 zusammen mit der Spannung V erhöht wird.

Der Widerstand <J> des magnetoresistiven Elements 1 kann leicht dadurch erhöht werden, daß die Breite der Streifen A und B verringert wird. Folglich kann die Änderung der Ausgangsspannung des magnetoresistiven Elements 1 größer als die des üblichen planaren Hall-Elements gemacht werden.

Obwohl die Widerstände ^>_ff und £>j_ sich mit der Temperatur ändern, werden A<£ und ζ von der Temperatur wenig beeinträchtigt, da sich die Widerstände § // und £j_ gleichzeitig ändern. Folglich wird die Änderung der Ausgangsspannung Δν(θ) von der Temperatur wenig beeinträchtigt.

Das magnetoresistive Element 1 hat drei Anschlüsse. Einer der drei Anschlüsse ist als gemeinsamer Anschluß geerdete Daher kann jeder Nachbarkreis, z.B. ein Spannungsquellenkreis, vereinfacht werden.

Anhand der Fig. 3 wird nun eine Aus£ührungsform des magnetoresistiven Elements 1 beschrieben.

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Durch ein Vakuum-Verdampfungsverfahren wird ein dünner Film eines eONi^OCo-Legierungsmaterial auf einer isolierenden Grundplatte 7, z.B. einer Glasplatte oder einer fotographischen Trockenplatte mit einer Dicke von etwa 600 bis 1.000 8 aufgebracht. Dann wird der dünne Film geätzt, um die ferromagnetisehen Streifen A und B zickzack-förmig oder in Streifen zusammen mit den Anschlüssen 2, 3 und 4 zu bilden. Die ferromagnetisehen Streifen A und B bestehen aus mehreren Hauptstrompfaden 8 und 9 und zugehörigen Verbindungsteilen 10 bzw. 11. Die Hauptstrompfade 8 und 9 sind im wesentlichen senkrecht zueinander. Der letzte Pfad 8a der Hauptstrompfade 8 ist mit dem ersten Pfad 9a des Hauptstrompfads 9 in Reihe geschaltet. Der Verbindungspunkt des letzten Pfads 8a und des ersten Pfads 9a ist mit dem Anschluß 4 verbunden.

Bei dieser Anordnung kann die gesamte Länge und damit der Widerstand des· magnetoresistiven Elements 1 erhöht werden. Außerdem kann das magnetoresistive Element 1 stark verkleinert werden. Folglich kann der Leistunssverbrauch verringert und die Änderung der Ausgangsspannung erhöht werden.

Als nächstes werden die Eigenschaften des magnetoresistiven Elements 1 beschrieben.

Der Gesamtwiderstand 2 Q des magnetoresistiven Elements

ο 1 beträgt 2,5 Kilo-Ohm bei einer Dicke von 600 A für die ferromagnetischen Streifen A und B, wobei eine Ausgangsspannung von Ϊ60 mV bei einer Spannung von 8 V der Spannuncrsquelle 5 erzeugt wird. Dabei beträgt die Intensität des Sättigungsmagnetfeldes mehr als 50 Oested und die verbrauchte Leistung etwa 26 mW. Daher kann die Intensität des Magnetfeldes für den Betrieb des magnetoresistiven Elements 1 niedrig sein und die verbrauchte Leistung ist gering. Bei der gleichen Dicke der ferromagnetischen Streifen A und B wird eine Ausgangsspannung von 240 mV

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erzeugt und die verbrauchte Leistung beträgt etwa 58 mW bei einer Spannung von 12 V der Spannungsquelle 5.

Bei einer Dicke von 1.000 Ä der ferromagnetische^ Streifen A und B beträgt der Gesamtwiderstand 2 P des magnetoresistiven Elements 1 1,4 Kilo-Ohm und eine Ausgangsspannung von 180 mV wird bei einer Spannung von 8 V der Energiequelle 5 erzeugt, wobei die Intensität des Sättigungsmagnetfeldes mehr als 50 Oersted und die verbrauchte Leistung etwa 47 mV beträgt. Bei der gleichen Dicke der ferromagnetischen Streifen A und B wird eine Ausgangsspannung von 220 mV erzeugt und die verbrauchte Leistung beträgt etwa 103 mW bei einer Spannung von 12 V der Energiequelle 5.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Änderung der Ausgangsspannung des magnetoresistiven Elements 1 bei einer Filmdicke von 1.000 A und der Richtung des Magnetfeldes mit einer Intensität von 3.000 Oersted. Die Ordinate gibt die Änderung der Ausgangsspannung A₁V (Θ) und die Abszisse den Winkel θ wider. Der Ursprung des Winkels θ ist gegenüber der Darstellung der Fig. 1 um einen Winkel —j- (45 ) verschoben. Die zuvor erwähnte Gleichung (5) erweist sich als richtig, da die Änderung der Ausgangsspannung Δν(θ) sinusförmig ist. Die Änderungen der Ausgangsspannung Δν{θ) betragen 104 mV bei einem Winkel von -45°, O mV bei einem Winkel von 0°, -103 mV bei einem Winkel von 45°, O mV bei einem Winkel von 90°, 104 mV bei einem Winkel von 135° und O mV bei einem Winkel von 180°.

Anhand der Fig. 5 bis 7 wird eine weitere Ausfuhrungsform des magnetoresistiven Elements 1 beschrieben.

Bei dieser Ausführungsform werden ein einziger ferromagnetischer Streifen A und die Anschlüsse 2 und 4 auf der Oberseite der isolierenden Grundplatte 7 aufgebracht, während der andere ferromagnetische Streifen B und der

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Anschluß 3 auf der Unterseite der isolierenden Grundplatte 7 aufgebracht werden. Wie bei der vorherigen Ausführungsform sind die Hauptstrompfade 8 des ferro— magnetischen Streifens A senkrecht zu den Hauptstrompfaden 9 des ferromagnetischen Streifens B. Außerdem sind ringförmige ferromagnetische Filme 4a und 4b auf der Oberseite bzw. der Unterseite der isolierenden Grundplatte 7 aufgebracht. Die ringförmigen ferromagnetischen Filme 4a und 4b sind miteinander durch eine öffnung in der isolierenden Grundplatte 7 (Fig. 7) verbunden. Ein ferromagnetischer Film ist auf die Oberseite der öffnung aufgebracht. Der ringförmige ferromagnetische Film 4a verbindet den Anschluß mit dem letzten Hauptstrompfäd 8a des ferromagnetischen Streifens A. Daher ist der letzte Hauptstrompfad 8a des ferromagnetischen Streifens 8 mit dem ersten Hauptstrompfad 9a des ferromagnetischen Streifens B durch die ringförmigen ferromagnetischen Filme 4a und 4b verbunden.

Wenn das magnetoresistive Element 1 in ein heterogenes Magnetfeld gebracht wird, ist die Ausführungsform der Fig. 5 bis 7 derjenigen der Fig. 3 vorzuziehen, da die Aus füh rungs form der Fig. 5 bis 7 die Richtung des Magnetfeldes in einem stärker begrenzten Raum als die Aus füh— rungsform der Fig. 3 erfassen kann.

Fig. 8 zeigt einen den parallelgeschalteten drei magnetoresistiven Elementen 1 entsprechenden Kreis, bei dem die Energiequelle 5 gemeinsam verwendet ist. Hierbei gilt

5>_Α(Θ) + 5>_Β(Θ) = ζ)_fl + £l = 2 <j>_o und£>_o = konstant. Daher können die drei magnetoresistiven Elemente 1 unabhängig voneinander arbeiten. Dies ist einer der vorteile des magnetoresistiven Elements gemäß der Erfindung.

Es können mehrere magnetoresistive Elemente in Reihe geschaltet werden. Anstelle der Ni-Co-Legierung können die

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Streifen A und B auch aus einer 8ONi-2OFe-Legierung bei einem großen Verhältnis von A$/ P hergestellt werden, so daß die Streifen A und B mit einem Magnetfeld gesättigt werden können, das eine geringere Intensität hat.

Außerdem können die Hauptstrompfade des einen ferromagnetischen Streifens unter einem anderen Winkel als 90 , z.B. unter 70 bis 80° zu den Hauptstrompfaden des anderen ferromagnetischen Streifens angeordnet sein, solange die Charakteristik des magnetoresxstxven Elements 1 nicht verschlechtert wird.

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Claims

Ansprü ehe

( 1.JMagnetoresistives Element, gekennzeichnet, durch ein isolierendes Substrat, einen ersten stromleitenden ferromagnetischen Metallfilmstreifen auf dem Substrat, dessen Stromleitfähigkeit in einer Richtung vorherrschend ist, einen zweiten stromleitenden ferromagnetischen MetalIfiImstreifen auf dem Substrat, dessen Stromleitfähigkeit in einer Richtung vorherrschend ist, die senkrecht zu derjenigen des ersten Streifens ist, und dadurch, daß die Enden der Streifen miteinander verbunden sind, ein Stromeingangsanschluß mit den entgegengesetzten Enden des Streifens verbunden ist und ein Ausgangsanschluß an den Verbindungspunkt der beiden Streifen angeschlossen ist.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Streifen auf der gleichen Seite des Substrat angeordnet sind.
3. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen auf entgegengesetzten Seiten des Substrats angeordnet sind.
4. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Streifen aus mehreren parallelen, elektrisch in Reihe geschalteten Streifen bestehen.
5. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen aus einer Legierung besteht, die etwa 80 Gewichts-% Nickel und etwa 20 Gewichts-% KobalC enthält.

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