DE2605414C2

DE2605414C2 - Dünnschicht-Megnetfeld-Sensor

Info

Publication number: DE2605414C2
Application number: DE19762605414
Authority: DE
Inventors: Joachim lng.(grad.); Küch Friedrich DipL-Phys. Dr.; 2800 Bremen Bremer
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Dst Deutsche System-Technik 2800 Bremen De GmbH
Priority date: 1976-02-12
Filing date: 1976-02-12
Publication date: 1977-12-15
Also published as: DE2605414B1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor, bei dem eine in Vorzugsrichtung magnetisierte dünne Schicht von einer magnetisch in ihrer Induktivität veränderbaren HF-Meßspule umgeben, und ein äußeres Magnetfeld und die Spulenachse parallel zu einer der Vorzugsrichtungen ausgerichtet sind.

Aus der US-Patentschrift 34 43 213 ist ein Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor bekannt, bei dem die Meßspulenachse parallel zur Richtung der schweren Achse liegt, und ein magnetisches Vorspannfeld in Richtung der leichten Achse liegt, in dessen Richtung auch die auszuniessenden Felder liegen. Die dünne, aus einer Ni-Fe-Verbindung bestehende Magnetschicht wird durch Niederschlag auf einem Glassubsirai hergestellt und während des Herstellungsvorganges mit einem hohen, homogenen magnetischen Gleichfeld, welches in der Substratebene angelegt wird, beaufschlagt. Die Richtung dieses Feldes bestimmt die sogenannte leichte Achse, während die senkrecht dazu liegende Achse als die schwere Achse bezeichnet wird, denn die Schichten weisen eine Vorzugsrichtung der Magnetisierung in Richtung der leichten Achse auf (einachsige Anisotropie).

Bei dem Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor treten magnetfeldabhängige Induktivitätsänderungen auf, wenn die Induktivität durch eine um Schicht und Substrat gewickelte Spule gebildet wird. Die Änderungen der Induktivität werden durch die Änderungen einer scheinbar vorliegenden Permeabilität hervorgerufen. Dem Gleichfeld wird noch ein durch einen Wechselstromgenerator erzeugtes Wechselfeld überlagert. Der erzeugte Wechselstrom liefert ein diesem Strom proportionales Nvechselmagnetfeld in Richtung einer der beiden Achsen. Die magnetfeldabhängigen Änderungen werden mit Hilfe der um die Schicht gewickelten Meßspule nachgewiesen. Zur Einstellung eines geeigneten magnetischen Arbeitspunktes ist noch ein magnetisches Vorspannfeld notwendig. Die magnetfeldabhängigen induktivitätsänderungen werden dann durch einen Demodulator in eine leicht weiterverarbeitbare Größe (z. B. Spannung) umgeformt. Die Wirkung äußerer Magnetfelder auf die Induktivität der Spule ist auf die leiche und schwere Achse begrenzt. Durch Felder senkrecht zur Schichtebene kann keine Beeinflussung erfolgen. Wenn jedoch eine einachsige Empfindlichkeit des Sensors, ein reproduzierbarer Arbeitspunkt auch bei hohen Feldstärken und eine gute Linearität zwischen Aufnehmerausgangssignal und nachzuweisendem Feld in zu erwartendem Feldstärkebereich gefordert werden, ist die bekannte Anordnung ungeeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor mit den genannten Eigenschaften zu schaffen. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß ein magnetisches Vorspannfeld im wesentlichen in Richtung der schweren Achse der Magnetschicht in der Größenordnung der Anisotropiefeldstärke angelegt und die Spulenachse parallel zur leichten Achse der Schicht ausgerichtet ist, so daß Änderungen nur in der in Richtung der leichten Achse liegenden Komponenten des auszumessenden Magnetfeldes die Induktivität der Meßspule ändern.

Für genügend große Felder (in der leichten Achse) wird die Induktivität der leichten Achse nahezu unabhängig vom Vorspannfeld in der schweren Achse. Diese Induktivität ändert sich nur noch mit dem Magnetfeld in der leichten Achse, womit eine einachsige Empfindlichkeit gegeben ist. Da das Vorspannfeld von der Größe her weitab vom Erdfeld und seinen natürlichen Schwankungen gewählt werden kann, ist auch die Beeinflussung des Arbeitspunktes durch das Erdfeld in der schweren Achse gering.

Die Zeichnungen stellen Ausführungsbeispiele dar. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Anordnung,

Fig. 2 ein Diagramm der Abhängigkeit zwischen Magnetfeld und Induktivität,

F1 g. 3 eine prinzipielle Oszillatorschaltung,

F i g. 4 eine weitere prinzipielle Oszillatorschaltung,

F i g. 5a und 5b Brückenschaltungen,

F i g. 6 eine Schaltung des Oszillators und

Fig. 7 eine Schaltungsanordnung eines Magnetometers nach dem Kompensationsprinzip,

Nach F i g. 1 besteht der Sensor bzw. die Aufnehmeranordnung aus einer auf einem Substrat ! niedergeschlagenen Magnetschicht 2 einer Meßspule 3 und einem Vorspannmagneten 4. Die dünne Schicht 2 kann

durch Aufdampfen auf das Substrat 1 oder durch Kathodenzerstäubung hergestellt werden. Während des Niederschiagens werden die entstehenden Schichten mit einem hohen homogenen magnetischen Gleichfeld, welches in der Substratebene angelegt wird, beaufschlagt. Die Magnetschicht weist dann eine Vorzjgsrichtung der Magnetisierung auf (einachsige Aniosotropie). D^:e Vorzugsrichtung wird bezeichnet als die leichte Achse, die senkrecht zur Vorzugsrichtung liegende Achse als die schwere Achse. Im folgenden werden alle Größen in Richtung der leichten Achse mit dem Symbol /(bezeichnet, entsprechend in Richtung der schweren Achse mit dem Symbol^ .

Bei dem Sensor treten magnetfeldabhängige Induktivitätsänderungen auf, wenn dabei die Induktivität durch eine um die Schicht 2 und das Substrat 1 gewickelte Spule 3 gebildet wird. Die Änderungen der Induktivität werden durch die Änderung einer scheinbaren vorliegenden Permeabilität hervorgerufen. Dem Gleichfeld, das im vorliegenden Fall dem zu messenden Magnetfeld H_s entspricht, wird noch ein durch einen Wechselstromgenerator erzeugtes Wechselfeld überlagert. Dieses zum Wechselstrom Iw proportionale Wechselfeld liegt in Richtung der leichten Achse (Hi₁). Die Windungszahl der Meßspule 3 ist unkritisch. Um den Energieverbrauch des Aufnehmers klein zu halten, wird bei gegebener Meßfrequenz die Windungszahl der Spule entsprechend einer minimal zulässigen Impedanz gewänlt. Da die Luflinduktivität proportional der Spulenfläche und somit proportional dem Substratquerschnitt ist, sollte dieser so klein wie möglich gewählt werden. Die Grenzen sind durch die Handhabbarkeit gegeben, 0,3 mm dicke Substrate lassen sich noch gut verwenden.

Während das magnetische Vorspannfeld H_H in Richtung der schweren Achse Hj_ hauptsächlich durch den Abstand a zwischen Magnet 4 und Schicht 2 eingestellt wird, läßt sich eine zusätzliche Komponente in Richtung der leichten Achse (H ^ ) durch Verdrehen des Magneten um einen Winke! einstellen.

In Fig. 2 wird die Abhängigkeit der Induktivität Ly vom Magnetfeld Hj_ dargestellt. Eine Abhängigkeit von der Vorgeschichte tritt bei einem Arbeitspunkt im Maximum dieser Kurve nicht mehr auf. Außerdem wird bei dieser Wahl des Arbeitspunktes die Abhängigkeit vom Vorspannfeld selbst eliminiert, wodurch die einachsige Empfindlichkeit gewährleistet ist.

Wird die Dünnschichtinduktivität L als frequenzbestimmendes Element in eine Oszillatorschaltung einbezogen, ist die Oszillatorfrequenz eine Funktion äußerer Gleichfelder. Speist ein solcher Oszillator 05, wie in Fig.3 dargestellt, einen komplexen Teiler mit den konstanten Komponenten R und Lm, ist die Ausgangsspannung dieser Anordnung ebenfalls abhängig von den äußeren Feldern. Mit dem Kondensator Cm entsteht ein Parallelschwingkreis, der z. B. Bestandteil eines Flankendemodulators sein kann. Die gleichen Verhältnisse erhält man, wenn die Induktivitäten L und Lm ausgetauscht werden (Fig.4). Ein Flankendemodulator ist an sich um das £Mache empfindlicher als ein Teiler, wenn Qdie Schwingkreisgüte bezeichnet.

Es ist auch möglich, den reellen Teiler aus zwei gegensinnig vorgespannten Induktivitäten La und Le zu bilden. Ferner können auch Brückenschaltungen gemäß F i g. 5a und 5b verwendet werden. Die Brücke wird dabei aus den Widerständen R\, /?2 und den Induktivitäten La bzw. L_B gebildet. U₁ ist der Eingang und Δ U„ ist der Ausgang der Brücke.

Der Oszillator benötigt den größten Teil des gesamten Stromverbrauchs, so daß er am zweckmäßigsten im C-Bereich arbeitet. Dafür muß die Güte der frequenzbestimmenden Elemente groß sein. Die Güten der Dünnschichtinduktivitäten sind aber relativ gering, so daß die Dünnschichtinduktivität nicht als frequenzbestimmendes Element in den Oszillator einzubeziehen ist. In der Schaltung des Oszillators nach Fig.6 besteht dieser aus einem Transistor T2 mit dem Widerstand Ra und den Kondensatoren G, C sowie der induktivität Li. Der Teiler R/L wird über einen aus L\ und L7 bestehenden Übertrager T_r angepaßt. Ein dem Teiler nachgeschalteter Spitzengleichriehter D mit Glättungskondensator C_g wandelt die Wechselspannung in eine Gleichspannung AU₁,- um. Diese kann dann einer Signalaufbereitung zugeleitet werden.

Das nachzuweisende Magnetfeld könnte auch durch ein Feld einer Spule kompensiert werden, deren Stromfluß über einen Regelkreis von dem Aufnehmer so gesteuert wird, daß am Aufnehmer immer dasselbe resultierende Magnetfeld auftritt. Bei dem beschriebenen Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor kann die Hochfrequenzmeßspule gleichzeitig als Kompensationsspule benutzt werden, so daß eine zusätzliche Luftspule dann entfallen kann.

Die HF-Meßspule L'wird dabei nach F i g. 7 von einer über einen Fehlerverstärker Vi angesteuerten Stromquelle /1 gespeist. Zur eigentlichen Aufnehmerelektronik sind nur die Komponenten Ci, C2, R2 hinzugekommen. Ci verhindert, daß der Kompensationss'lrom über R] und den Übertrager T_r fließen kann, er koppelt die HF-Meßspannung auf die Dünnschichtinduktivität L Der Hochpaß C2, /?2 trennt den Gleichrichterpfad gleichstrommäßig von L ab und sorgt so dafür, daß sich die durch Kompensationsstromänderungen her'orgcrufenen Spannungsabfälle am Spulenwiderstand nicht auf den Ausgang fortpflanzen. Die in der HF Spannung enthaltene Feldinformation wird durch C; übertragen und mittels Di gleichgerichtet. Außerdem kann noch ein Kompensations-Netzwerk K vorgesehen sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor, bei dem eine in Vorzugsrichtung magnetisierte dünne Schicht von einer magnetischen in ihrer Induktivität veränderbaren HF-Meßspule umgeben, und ein äußeres Magnetfeld und die Spulenachse parallel zu einer der Vorzugsrichtungen ausgerichtet sind, d a durch gekennzeichnet, daß ein magnetisches Vorspannfeld im wesentlichen in Richtung der schweren Achse der Magnetschicht in Größenordnung der Anisotropiefeldstärke angelegt und die Spulenachse parallel zur leichten Achse der Schicht ausgerichtet ist, so daß Änderungen nur der in Richtung der leichten Achse liegenden Komponenten des auszumessenden Magnetfeldes die Induktivität der Meßspule ändern.

2. Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen Vorspannfeld und schwerer Achse einstellbar ist.

3. Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Dünnschichtinduktivität bestimmende Meßspule (L) frequenzbestimmendes Element in einem Oszillator (OS) ist.

4. Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule. (L) Bestandteil eines komplexen Teilers (R, L) des Oszillators (OS,) ist.

5. Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule aus gegensinnig vorgespannten Induktivitäten (La, Lh) besteht, die in einer Brückenanordnung geschaltet sind.

6. Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule über einen Transformator (T_r) an den Oszillator (OS) angekoppelt ist.

7. Dünnschicht-Magnetfeld-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Meßspule (L') gleichzeitig als Kompensationsspule benutzt ist, die von einer über einen Fehlerverstärker (Vi) angesteuerten Stromquelle (I\) gespeist wird.