DE2453540C2 - Magnetoresistives Bauelement - Google Patents

Description

5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Ti· !st reife π der ersten Streifengruppe (A) parallel zur Richtung der Teilstreifen der zweiten Strcifengruppe (A') verläuft und daß der Abstand X₁. zwischen benachbarten Streifen in der ersten und in der zweiten Slreifangruppe (A, A') gleich ^f- A- ist.

6. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die erste oder zweite Slreifengruppe (z. B. B) wenigstens ein unterschiedlicher Streifen eingeschaltet ist, dessen Tcilslrcifcn senkrecht zur Richtung derTeilstrcifen der übrigen Streifen verlaufen, wobei die Abstände zwischen diesen unterschiedlichen Streifen und den benachbarten übrigen Streifen gleich

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sind.

Die Erfindung betrillt ein magnetoresistives Bauelement entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches I. Ein derartiges magnetoresistives Bauelement ist Gegenstand des älteren Patents 24 33 645. ils zeichnet sich gegenüber bekannten Ausführungen durch eine sehr geringe Tcmpcralurabhängigkeil seiner Ausgangsspannung aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnctorcsislivcs Bauelement der im ObcrbegrilTdcs Anspruches I vorausgesetzten Art so auszubilden, daß es als McBclcmcnl für periodische magnetische Signale geeignet ist. somit eine Wellenlängen-Selektivität besitzt. Unter Wellenlängen-Selektivität wird dabei die Fähigkeil vcrstanden, aus einem zusammengesetzten Signal mit unterschiedlichen Frequenzkomponcnlcn einzelne Signale mit bestimmten Frequenzen festzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches I gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Einige Ausfiihrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung veranschaulicht. F.s zeigt
Fig. 1 eine Aufsicht auf ein magnetoresistives Bauelement gemäß dem älteren Patent 24 33 645,
Fig. 2 ein Prinzip-Schema des Bauelementes gemäß Fig. I,

Fig. 3 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung des inagnctoresistivcn Bauelementes gemäß Fig. I undderRichtungderaufdas Bauelement wirkenden Magnetfeldes veranschaulicht.

Fig.4 ein Ersatz-Schaltbild des Bauelements gemäß Fig. 1,

Fig.5 ein Schema eines ersten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Bauelementes,

Fig. 6 ein Schema eines zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung,

Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der Wellenlängen-Selektivität des Bauelements gemäß Fig. 6,

F i g. 8 ein Schema, das die Funktion eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bauelements beim Auftreten periodischer magnetischer Signale veranschaulicht,

Fig. 9 und !0 Schemadarstellungen von zwei weiteren Ausführungsbeispielen,

Fig. Il eine Prinzip-Darstellung, die die Funktion eines weiteren Ausfuhrungsbeispieles beim Auftreten periodischer magnetischer Signale zeigt, Fig. 12 ein Schema eines weiteren Ausfuhrungsbeispieies.

Anhand der Fig. I bis 4 sei zunächst Aufbau und Funktion des magnetoresistiven Bauelements gemäß dem älteren Patent 24 33 645 erläutert.

Das in Fig. 1 veranschaulichte magnctoresistive Bauelement enthält zwei Streifen A und B aus ferromagnetischem Material mit anisotropem magnetischem Widerstand. Ein solches Material ist beispielsweise Nickel-Kobalt. Die beiden Streifen A und B sind auf eine aus Glas bestehende Grundplatte 1 aufgebracht, was beispielsweise durch Aufdampfen im Vakuum erfolgen kann. Statt dessen können die Streifen A und B auf der Grundplatte 1 auch mittels einer Ätzmethode erzeugt werden, nachdem zuvor ein Film aus ferromagnetischem Material auf die ganze Oberfläche der Grundplatte 1 aufgebracht wurde.

Die Streifen A und S bestehen aus einer Anzahl von Teiistreifen 2 A und 2 B sowie einer Anzahl von Verbin- :o dungsteilen 3 A und 3 B. Die Teilstreifen 2 / verlaufen senkrecht zu den Teilstreifen 2 B. Das eine Ende 4 A des letzten Teilstreifens 2 A ist mit dem einen Ende 4 B des ersten Teilstreifens 2 B verbunden. Auf diese Weise sind die Streifen A und B in Reihe miteinander geschaltet. Ein Ausgangsanschluß 5 ist mit einem Verbindungspunkt der Streifen A und B verbunden. Ein Stromanschluß 7 A ist mit dem einen Ende 6A des ersten Teilstreifens 2 A verbunden; ein weiterer Stromanschluß 7 B ist an das eine Ende 6 β des letzten Teilstreifens 2 B angeschlossen.

Wie Fig. 2 zeigt, sind die Stromanschlüsse TA, TB mit einer Stromquelle 8 verbunden. Der Stromanschluß 7 B liegt ferner an Masse. Auf diese Weise erhält man einen Meßkreis 9 für die Richtung des Magnetfeldes H.

Ein Magnetfeld //, das in seiner Stärke ausreicht, um die aus ferromagnetischem Material bestehenden Streifen A und B zu sättigen, wird unter einem Winkel Θ gegenüber der Längsrichtung der Teilslreifen IA desStreifens A an die Streifen A und B angelegt. Die Widerstände ρ_Λ und p_H der Streifen A und B sind durch folgende Gleichungen gegeben:

/>., = p_L sin² 0 + μ, ι cos^J Θ (1)

μ_Η = ρ_λ cos² Θ + ρ,, sin² Θ (2)

Hierbei ist p_x der Widerstand der fcrromagnetisehen Streifen A oder B bei Sättigung durch ein Magnetfeld, das senkrecht zur Stromflußrichtung der ferromagnetische!! Streifen A oder B verläuft, p,, ist der Widerstand der lerromagnetischen Streifen bei Sättigung durch ein Magnelfe:J, das parallel zur Stromflußrichtung der ferro- 4υ magnetischen Streifen A oder B verläuft.

Die Spannung V_e am Ausgangsanschluß 5 ergibt sich aus folgender Gleichung

Pb

Pa + Ph

■ V« (3)

Dabei ist K₁₁ die Spannung der Stromquelle 8.

Setzt man die Gleichungen (I) und (2) in Gleichung (3) ein, so ergibt sich

wobei Ap - p_n -/J₁ ist.

In Gleichung (4) stellt der erste Ausdruck eine lcstc Spannung V\ dar I K₁ - — L während der zweite Ausdruck einen variablen Teil Λ K_H der Ausgangsspannung darstellt. Dieser zweite Ausdruck A I _H läßt sich wie folgt umformen;

cos 2 C-) · K₁₁ (5)

Hierbei ist 2 /;„ = p„ + />, , wobei /,>,> der Widerstand der ferromagnetische!! Streifen A oder B ist, wenn kein Magnetfeld an die fcrromagnetisehen Streifen A bzw. S angelegt wird.

Wie Fig. 3 zeigt, isl uie Änderung der Ausgangsspannung ein Minimum bei di:n Richtungen 0° und 180° des Magnetfeldes //,während sich eine maximale Änderung bei den Richtungen %° und 270° des Magnetfeldes // ergibt. Die Änderung der Ausgangsspannung erfolgt nach einer Sinuskurvc.

Fig. 4 zeigt ein Ersatz-Schaltbild von Fig. I. Da sich die Widerstände der l'crruniagnetischen Streifen A und B mit der Richtung des Magnetfeldes //ändern, können die ferromagnetischen Streifen A und Bals veränderliche Widerstände dargestellt werden.

Im folgenden sei nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Gemäß F i g. 5 sind periodische magnetische Signale 10 auf einem magnetischen Aufzeichnungsmedium mit einer Weilenlänge X_m aufgezeichnet. Die von diesen periodischen magnetischen Signalen 10 erzeugten Magnetfelder sind so stark, daß sie ein aus einer Vielzahl von magnetoresistiven Streifen bestehendes magnetoresistives Bauelement 20 sättigen. Eine erste Streifengruppe A enthält eine Anzahl von Streifendes in Fig. I veranschaulichten Typs A; sie sind durch Leiter 12 miteinander in Reihe geschallet. Eine zweite Streifengruppe B enthält eine Anzahl von Streifen des in ίο Fig. 1 veranschaulichten Typs B\ sie sind durch Leiter 12' miteinander in Reihe geschaltet. Der Abstand zwischen benachbarten Streifen beträgt X, in der ersten Streifengruppe A und in der zweiten Streifengruppe B.

Jeder Streifen besitzt die Breite /. Die Streifen sind gekennzeichnet mit -n ,-j —1,0, + 1,... +/" +«.

Ein Anschluß 13 der ersten Streifengruppe A ist mit einem Anschluß 13' der zweiten Streifengruppe B durch einen Leiter 14 verbunden. Ein Ausgangsanschluß 15 ist mit dem Leiter 14 verbunden. Eine Stromquelle 17 liegt zwischen den anderen Anschlüssen 16, 16' der ersten bzw. zweiten Streifengruppe A bzw. B. Der Anschluß 16' liegt ferner an Masse.

Die erste Streifengruppe A und die zweite Streifengruppe B sind auf den beiden Seiten einer aus GNis bestehenden Grundplatte derart angeordnet, daß die mit denselben Bezugszeichen versehenen Streifen einander jeweils gegenüberliegen. Sie können dabei auch auf derselben Seite der Grundplatte unter Zwischenfügung einer Isolierschicht übereinanderliegen.

Bei dem in Fig. 6 veranschaulichten weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung sind die erste Streifengruppe A und die zweite Streifengruppe B auf derselben Seite der Grundplatte angeordnet. Die Anschlüsse 13' und 16 sind durch einen Leiter 18 miteinander verbunden, an den zugleich der Ausgangsanschluß 15 angeschlossen ist. Der Anschluß 13 ist mit der Stromquelle 17 und der Anschluß 16' mit Masse verbunden. Der li Absland zwischen nten-Streifen der ersten Streifengruppe A und den -nten Streifen der Streifengruppe B beträgt /,. Entsprechend beträgt auch der Abstand zwischen benachbarten Streifen in der ersten Streifengruppe A und in der zweiten Streifengruppe B jeweils X_r. Werden die periodischen magnetischen Signale 10 als feststehend angenommen und ändert sich der AbstanL-x,., so ändert sich die Ausgangsspannung

am Ausgangsanschluß 15 gemäß Fig. 7, wobei ein Maximum vorliegt bei X_r = -²-A (k = I, 2, 3 ... ), wobei das

magnetoresistive Element 20 die Selektivität der Wellenlänge besitzen kann.

Im folgenden sei die Wellenlängen-Selektivität mathematisch analysiert.

Unter der Annahme, daß nur die Magnetfelder von zwei benachbarten Magneten (entsprechend einer Wellenlänge) auf jeden Streifen wirken (0 ~ ±/ ~ ± n), werden die zusammengesetzten Magnetfelder für jeden Streifen berechnet. Den elektrischen Widerstand jedes Streifens erhält man aus den Gleichungen (I) und (2) unter Berücksichtigung der Richtung des zusammengesetzten Magnetfeldes. Die gesamten Widerstände p^„ und μ_Λ,, der ersten Strcifcngruppc A ur.d der zweiier: Sireifengruppe R ergeben sich wie folgt

Il.,

( 4 π , 2 .τ Λ /. , , ν· 4 π . Λ

i-;— .ν + ——/) · I I + 2 Vcos—-—Χ,./)

(6)

λ.. "I

ι- I

I + 2 cos

>.,„ sin ln)._r!X_m )

_cos (AJL_x+JJLi) (7)

Hierbei ist .vdie Entfernung von der Lage gemäß Fig. 6. Aus den Gleichungen (3), (6) und (7) läßt sich die Ausgangsspannung V_HI> wie folgt errechnen:

„in (Il Λ

/'jo + l>H,i 2 4 (2 ti + I)A. " 2 π

(\ + 2 cos 2/rin H \) XJX_1n ■ —) ■ cos (4 .τ χ/λ,,, + 2/τ !//„,) (8)

V sin 2 ir AJA_n, )

Hierbei ist der erste Ausdruck eine feste Spannung, während der /weite Ausdruck den veränderlichen Teil der Ausgangsspannung darstellt. In dem /weilen Ausdruck ist (a) eine Konstante, die von den Eigenschaften der Streuen abhängt; der Ausdruck (b) ist ein aul der »reite /der Streifen beruhender Verlustfaktor; der Ausdruck (C) stellt die Wellenlängen-Selektivität dar und der Ausdruck (d) die Amplitudenänderung der Ausgangsspannung. 2 Der Ausdruck (c) läßt sich wiedergeben durch

W, = I + 2 cos 2 π (η + I) λ,/λ.,, ■ ₍₉₎

sin 2 it äJa„

Es sei nun der Fall betrachtet, daß W_s ein Maximum ist.
Der Ausdruck cos 2 η in + I) XJ X_m ist ein Maximum oder ein Maximum unabhängig vom Wert von n, wenn

XJX„, ein ganzzahliges Vielfaches von 1/2 ist. Bei X₁IX_1n = — k(A■ = 1. 2, 3 ...), ergibt sich

cos 2 π in + I) X,.IX,„ = cos π in + I) A: = ± 1 (10)

wobei + I gilt, wenn A eine gerade Zahl ist oder wenn A eine ungerade Zahl und η eine ungerade Zahl ist, während - I gut, wenn k eine ungerade Zahl und // eine gerade /ahl ist.
Der Ausdruck sin2/r n XJX_mi's\n 2/7 X,IX„, ist unbestimmt bei X_rIX„, = 1/2 A. Wenn X,.IX_m = \/2k±c ist.

crgiut SiCn ucT OreriZirVGri, wenn t gegen nun gCtit, mit

,. sin{,T η A^-±2.τ η ir) sin nek: ■ cos 2/7 ε ±cos - nk sin 2 π π ε , ....

11 m = — ± π (It)

' ·'' sin (;τ A' + 2 π ε) sin η k ■ cos 2 π r±cos η k ■ sin 2 π ε

wobei + η gilt, wenn k eine gerade Zahl ist oder wenn A- eine ungerade und η eine ungerade Zahl ist, während - η gilt, wenn A- eine ungerade Zahl und η eine gerade Zahl ist. Demgemäß ist der Ausdruck sin 2π η X,.IX_m/ sin 2/rX,.IX_m ein Maximum oder Minimum bei X_rIX„ = 1/2 A\

Infolgedessen ist W, ein Maximum bei XJX_n, = 1/2 A-. Setzt man die Ergebnisse der Gleichungen (10) und (11) in Gleichung (9) ein, so erhält man

W, max = 2n+ 1 (12)

wobei η und A- eine gerade oder eine ungerade Zahl sind.

Fig. 7 zeigt die Charakteristik der Wellenlängen-Selektivitä-. Tür ;; = 5 und den Bereich 0,5 S X,IX„ Sl.

Im folgenden sei die Wellenlängen-Selektivität anhand von Fig. 8 erläutert.

Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem magneloresistiven Bauelement 20 und dem von den periodischen magnetischen Signalen 10 herrührenden magnetischen Flüssen. Jede Streifengruppe enthält zwei Streifen. Der

Abstand zwischen zwei benachbarten Streifen beträgt k_e = — X_1n (A = 1), was durch die ausgezogene Linie in

Fig. 8 dargestellt ist. Die Magnetfelder //werden an das magnetoresistive Bauelement 20 unter Winkeln von 90° und 270°angelegt. Das maximale Ausgangssignal erhält man am Ausgangsanschluß 15, wie aus Fig. 3 hervorgeht. Ist der Abstand zwischen den beiden benachbarten Streifen unterschiedlich, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 8 veranschaulicht, so werden die Magnetfelder Han das magnetoresistive Bauelement 20 unter Winkeln angelegt, die von 90° und 270° abweichen. Das Ausgangssignal verringert sich hierdurch. Es wird daher c

verständlich, daß das magnetoresistive Bauelement 20 die Wellenlängen-Selektivität bei /,.//„ = — (A- = 1)

haben kann. Selbstverständlich kann das magnetoresistive Bauelement 20 die Wellenlängen-Selektivität auch bei X_riX_m - k [k = 2, 3, 4 ...) haben.

Fig. 9 und 10 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung. Bei der Ausführung gemäß Fig. 9 sind nur Streifen des Typs A vgl. Fig. 1) verwendet. Beim Ausführungsbeispiel der F ig. lOsind dagegen nur Streifen des Typs B (gemäß Fig. 1) benutzt. Der Abstand X₁, zwischen der ersten Streifengruppe A (bzw. B) und der zweiten Streifengruppe A' (bzw. B') entspricht

Der Abstand Λ, zwischen zwei benachbarten Streifen entspricht — A sowohl bei der ersten Streifengruppe A

(bzw. B) als aurh bei der zweiten Streifengruppe A' (bzw. B'). Fig. 11 zeigt die Beziehung zwischen dem magnetoresistiven Bauelement der Fig. 9 oder 10 und dem von den magnetischen Signalen 10 erzeugten Magnetfeld. Die Magnetfelder H werden an die ersten Streifengruppe A (bzw. B) unter Winkeln von 90° bzw. 27O°gelegt und an die zweite Streifengruppe A' (bzw. B') unter Winkeln von 0° und 180°. Dies ist äquivalent der Tatsache, daß gemäß Fig. 8 die Magnetfelder// der ersten Streifengruppe und der zweiten Streifengruppe unter Winkeln von 90° und 270° zugeführt wurden. Demgemäß können die magneloresistiven Bauelemente 20 der Fig. 9 und 10 die Selektivität einer Wellenlänge haben.

Bei dem in Fig. 12 veranschaulichten weiteren Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist ein Streifen des Typs B in die Streifengruppe A eingefügt. Die Abstände zwischen dem Streifen des Typs B und den nächsten Streifen Streifen des Typs A sind gleich

/ 4,

4 J'

2ft Der Abstand zwischen den Streifen an beiden Seiten des Verbindungspunktes zwischen der ersten Streifengruppe und der zweiten Streifengruppc entspricht

λ

wenn die Streifen unterschiedlichen Typ aufweisen. Der Abstand ist dagegen gleich -&■ A, wenn die Streifen denselben Typ aufweisen.

Die periodischen magnetischen Signale werden beispielsweise am Umfang eines Drehtisches zum Zwecke der Geschwindigkeitskontrolle aufgezeichnet. Die periodischen magnetischen Signale können ferner zur

M) Eichung einer magnetischen Skala verwendet werden. Es ist im allgemeinen schwierig, die periodischen magnetischen Signale auf irgendeinem magnetischen Medium mit einer ganz exakten Wellenlänge aufzuzeichnen. Aus diesem Grunde ist die Frequenz der aufgezeichneten magnetischen Signale nicht genau konstant. Da jedoch das erfindungsgemäße magneloresistive Bauelement eine Wellenlängen-Selektivität besitzt, kann es die Wellenlänge zusammengesetzter Wellen genau feststellen.

Das magnetoresistive Bauelement wird in einem Sättigungs-Magnctfeld verwendet. Es wird infolgedessen durch äußere Magnetfelder nicht beeinträchtigt. Wenngleich sich der Widerstand des magnetoresistiven Bauelementes mit der Temperatur etwas äridcrl, so sind die Änderungen von A ρ und #, doch sehr gering, da sich p_u und P₁ in der Gleichung (4) gleichzeitig mit der Temperatur ändern. Die Ausgangsspannung wird infolgedessen durch Temperaturänderungen nicht beeinträchtigt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Magnetoresistives Bauelement mit

a) ersten und zweiten magnetoresistiven Streifen, die aus ferromagnelischem Material mit anisotropem magnetischem Widerstand bestehen, elektrisch in Reihe miteinander geschaltet sind und eine Anzahl magnetoresistiver Teilstreifen aufweisen, die elektrisch in Reihe miteinander geschaltet sinCund voneinander einen vorgegebenen Absland besitzen,

b) einem Ausgangsanschluß, der an einen Verbindungspunkt der ersten und zweiten magnetoresisliven ίο Streifen angeschlossen ist,

c) Siromanschlüssen, die mit den Linden der ersten und zweiten magnetoresistiven Streifen verbunden sind, und mit

d) einer mit den Stromanschlüssen verbundenen Stromquelle,

dadurch gekennzeichnet,

daß mehrere erste und mehrere zweite, jeweils einen vorgegebenen Abstand voneinander aufwehende und jeweils elektrisch in Reihe geschaltete magneloresistivc Streifen vorgesehen sind, die erste und zweite voneinander einen vorgegebenen Abstand aufweisende und elektrisch in Reihe geschaltete magneloresistivc Streiängrupnen (A, A\ B. B") bilden.

daß der Ausgangsanschluß (15) an einen Verbindungspunkt der ersten und zweiten magnetoresistiven Slrcifengruppen angeschlossen ist und

daß die Stromanschlüssc mit den Enden der ersten und zweiten magnetoresisliven Slreifcngruppen verbunden sind.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand X₁. zwischen den Streifen in den

beiden Streifengruppen (A, B) gleich -^²- ä ist, wobei X_n, die Wellenlänge periodischer magnetischer

Signale bedeutet und A = 1, 2, 3 ... ist.

3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Teilstreifen der ersten Streifcngruppe (A) senkrecht zur Richtung der Teilstreilen der zweiten Strcifcngruppc (B) verläuft.

4. Bauelement nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Absland X,- zwischen der ersten und zweiten Streifengruppc (A, A') gleich