DE3308404A1

DE3308404A1 - Vorrichtung zur erfassung bzw. messung einer relativverschiebung

Info

Publication number: DE3308404A1
Application number: DE19833308404
Authority: DE
Inventors: Shigekazu Ageo Saitama Nakamura
Original assignee: Nidec Copal Corp; Copal Co Ltd
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 1982-03-10
Filing date: 1983-03-09
Publication date: 1983-09-22
Also published as: US4616281A; DE3308404C2

Description

Vorrichtung zur Erfassung bzw. Messung einer Relativverschiebung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung ■ bzw. Messung einer Relativverschiebung zwischen einem Magnet-Meßfühler mit mindestens zwei magnetischen Widerstandselementen einerseits und einem magnetischen Aufzeichnungsträger andererseits, auf dem in Verschiebungsrichtung ein Magnetisierungsmuster aufgezeichnet ist.

Eine solche Vorrichtung kann als Drehwinkelgeber, Linearweggeber usw. benutzt werden. Es ist ein Drehkodierer bzw. Drehwinkelgeber (rotary encoder) bekannt, bei dem ein Magnetsignal in Form eines Magnetisierungsmusters einer konstanten Bitlänge, das auf einem magnetischen Aufzeichnungsträger auf einer Scheibe oder einem Zylinder, der bzw. die um eine Welle drehbar ist, aufgezeichnet ist, mittels eines magnetischen Meßfühlers abgetastet wird, der ein magnetisches Widerstandselement (magnetoresistive element) aus ferromagnetischem Werkstoff, wie 81 % Ni-

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19% Fe-Legierung (Permalloy) zum Abgreifen des Drehwinkels der Welle aufweist. Bei einem solchen Drehwinkelgeber kann der Magnetmeßfühler im Prinzip ein einziges Magnetwiderstandselement aufweisen. Um jedoch eine große, nicht durch Drift infolge von Temperaturschwankung beeinflußte Ausgangsspannung zu liefern, werden üblicherweise mehrere solche Widerstandselemente, differentiell geschaltet, verwendet. Beispielsweise beschreibt die JP-OS 115 257/79 einen Winkeldetektor bzw. -geber mit zwei magnetischen Widerstandselementen, die in einem Abstand entsprechend einem ganzzahligen Vielfachen des Teilungsabstands (pitch) eines auf einem Magnetaufzeichnungsträger aufgezeichneten Magnetisierungsmusters voneinander angeordnet sind, um mittels eines Differential-Verstärkers eine Differenz zwischen den Ausgangssignalen dieser Elemente abzuleiten. In der JP-Zeitschrift "Nikkei Electronics", 22. Juni 1981, S. 88, ist ebenfalls ein Winkelgeber beschrieben, bei dem zwei Magnetmeßfühler mit je vier Magnet-Widerstandselementen A1 - A4; B1 - B4 vorgesehen sind (vgl. Fig. 1). Die Magnet-Widerstandselemente jedes Magnetmeßfühlers sind vom jeweils anderen Element um eine Strecke entsprechend der Hälfte des Teilungsabstands P eines Magnetisierungsmusters auf einem magnetischen Aufzeichnungsmedium M entfernt, und die Widerstandselemente A1 - A4 sind gegenüber den Elementen B1 - B4 um P/4 versetzt angeordnet. Gemäß Fig. 2 sind die Widerstandselemente A1 - A4 und B1 - B4 in Brückenschaltungen geschaltet, wobei die Spannungsunterschiede an diagonalen Punkten der Brückenschaltungen durch Differentialverstärker DA1 fcz w. DA2 abgenommen werden. Die Ausgangssignale der Differentialverstärker DA1 und DA2 werden dann durch eine Signalverarbeitungsschaltung zweckmäßig verarbeitet, um ein den Drehwinkel sowie die Drehrichtung angebendes Meßausgangssignal zu liefern. Mittels eines solchen Differentialsystems kann

ein Meßausgangssignal großer Amplitude erhalten und der Einfluß von Drift infolge von TemperaturSchwankung ausgeschaltet werden. Bei den bisherigen Winkelgebern müssen jedoch mehrere Magnet-Widerstandselemente in Verschiebungsrichtung in einem gegenseitigen Abstand entsprechend einem ganzzahligen Vielfachen des Magnetisierungsmuster-Teilungsabstands bzw. seines Reziprokwerts angeordnet sein. Bei Verwendung verschiedener Aufzeichnungsträger mit Magnetisierungsmustern unterschiedlicher Teilungsabstände müssen verschiedene Arten von Magnet-Meßfühlern vorgesehen werden, bei denen die Magnet-Widerstandselemente auf verschiedene, den jeweiligen Teilungsabständen entsprechende Abstände verteilt sind; hierdurch wird der Konstruktionsfreiheitsgrad entsprechend eingeschränkt.

5 Wenn außerdem der Aufzeichnungsträger auf einer Außenfläche eines zylindrischen Körpers angeordnet ist und mehrere Widerstandselemente auf einem flachen Substrat bzw. Träger angeordnet sind, sind die Abstände zwischen den einzelnen Widerstandselementen und dem Aufzeichnungsträger jeweils verschieden, so daß die Amplituden der Ausgangssignale dieser Elemente schwanken und damit ein Fehler in das Differentialausgangssignal eingeführt werden kann. Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde bereits vorgeschlagen, die Breiten der jeweiligen Magnet-Wider-Standselemente zu ändern (vgl. JP-OS 35 011/81). Die Herstellung von Magnet-Widerstandselementen unterschiedlicher Breite erweist sich jedoch als schwierig. Bei Änderung der Abstände zwischen den Widerstandselementen und dem Aufzeichnungsträger müssen außerdem erstere unterschiedliche Breiten entsprechend den geänderten Abständen besitzen, wodurch die vielseitige Verwendbarkeit eines solchen Magnet-Meßfühlers verlorengeht. Da bei den bisherigen Drehwinkelgebern die Magnet-Widerstandselemente in Richtung des Magnetisierungsmusters voneinander beabstandet sind, erhält der Meßfühler entsprechend

große Abmessungen, was sich auch auf die Abmessungen des gesamten Drehwinkelgebers auswirkt.

Bei einem Verschiebungs- bzw. Wegdetektor mit einer Anzahl von Magnet-Widerstandselementen ist es weiter bekannt, eine Vormagnetisierung für die Widerstandelemente vorzusehen. Beispielsweise ist es aus der JP-AS 37 204/78 bekannt, je ein Magnet-Widerstandselement auf den betreffenden Seiten einer Isolierschicht anzuordnen und eines der Widerstandselemente mittels eines Magnetfelds vorzumagnetisieren, das durch einen durch das andere Widerstandselement fließenden Treiberstrom erzeugt wird, oder umgekehrt. Im folgenden wird diese Vormagnetisierung als primäres Gegenvormagnetisierungssystem (primary mutual bias system) bezeichnet. Die JP-AS 37 205/78 beschreibt ein anderes Vormagnetisierungsverfahren, bei dem ein Magnetfeld, das durch einen das eine Magnet-Widerstandselement durchfließenden Treiberstrom erzeugt wird, an das andere Widerstandselement angelegt wird und eine Komponente der Magnetisierung im anderen Magnet-Widerstandselement ein umgekehrtes bzw. Gegen-Magnetfeld erzeugt, welches das erste Magnet-Widerstandselement als Vormagnetisierungsfeld beaufschlagt. Diese Vormagnetisierungsart wird als sekundäres Gegenvormagnetisierungssystem bezeichnet. Fig. 3 ist ein Schaltbild des in der genannten JP-AS 37 204/78 beschriebenen Magnet-Detektors bzw. -Meßfühlers. Dabei sind zwei Magnet-Widerstandselemente MR₁ und MR^ auf beiden Seiten einer Isolierschicht angeordnet und parallel zueinander zwischen eine Konstantstromquelle CCS und Masse eingeschaltet, wobei die Verbindungspunkte oder Verzweigungen zwischen den beiden Widerstandselementen MR- und MR_ einerseits und der Konstantstromquelle CCS andererseits mit den Eingängen eines Differentialverstärkers DA zur Ableitung einer Differenz zwischen den Spannungen an den Verbindungspunkten verbunden sind.

3'-

Ein solcher Magnet-Meßfühler des Gegenvormagnetisierungstyps (mutual bias type) wird in der Weise gebildet, daß auf ein isolierendes Substrat das erste Magnet-Widerstands element MR₁, die Isolierschicht und das zweite Magnet-Widerstandselement MR₉ nacheinander in der angegebenen Reihenfolge aufgebracht werden. Zur Lieferung eines stabilen Ausgangssignals ist es wesentlich, daß die beiden Widerstandselemente gleiche magnetische Eigenschaften besitzen. In einem typischen Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnet-Meßfühlers werden zunächst eine erste Magnet-Widerstandsschicht oder -folie und eine Leiterschicht bzw. -folie auf das Substrat aufgebracht, worauf diese Schichten bzw. Folien durch Fotoätzen zur Ausbildung des ersten Magnet-Widerstandselements mit einem vorgegebenen Leitermuster zu einem vorgegebenen Muster geformt werden. Anschließend wird die Isolierschicht aufgetragen, worauf weiterhin eine zweite Magnetwiderstandsschicht und eine zweite Leiterschicht nacheinander auf die Isolierschicht aufgebracht werden.

Schließlich werden die zweite Magnetwiderstandsschicht und die zweite Leiterschicht durch Fotoätzen einer vorgegebenen Musterbildunq unterworfen, um das zweite Magnet-Widerstandselement MR₂ mit einem vorgegebenen Leitermuster auszubilden. Da bei diesem Herstellungsverfahren die beiden Magnet-Widerstandselemente MR und MR durch verschiedene Magnetwiderstandsschichten oder -folien gebildet werden, ist es ziemlich schwierig, ihre verschiedenen Eigenschaften, wie Dicke, spezifischer Widerstand, Widerstands-Temperaturkoeffizient und Formkoeffizient, einander gleich auszulegen. Da die beiden Widerstandselemente zudem in getrennten Musterbildungsschritten geformt werden, können ihre Abmessungen voneinander verschieden sein. Beimbisherigen Magnet-Meßfühler besitzen daher die beiden Magnet-Widerstandselemente unterschiedliche magnetische Eigenschaften,

- 40-

so daß bei einem Null-Magnetfeld eine unausgeglichene Ausgangsspannung erzeugt werden kann und außerdem diese Ausgangsspannung eine Drift aufgrund von Temperaturänderung oder -Schwankung unterworfen sein kann. 5

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung einer Verschiebungs- bzw. Weg-Detektorvorrichtung mit Magnet-Widerstandselementen (magnetoresistive elements) wobei diese Vorrichtung für verschiedene Magnetisierungsmuster verwendbar sein und ein Differential-Ausgangssignal liefern soll, ohne daß mindestens zwei Magnet-Widerstandselemente in Richtung der Magnetisierungsmusteranordnung auf Abstand voneinander angeordnet zu sein brauchen.

Diese Vorrichtung soll dabei sehr kleine Abmessungen besitzen und ein Differential-Ausgangssignal stabil bzw. sicher und genau zu liefern vermögen.

Diese Vorrichtung soll weiterhin ein Differential-Ausgangssignal mittels Magnet-Widerstandselementen liefern können, die unterschiedliche magnetische Eigenschaften, wie Dicke, spezifischer Widerstand und Widerstands-Temperaturkoeffizient besitzen.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Erfassung bzw. Messung einer Relatiwerschiebung zwischen einem magnetischen Aufzeichnungsträger mit mindestens einer Magnetspur, auf der ein Magnetisierungsmuster aufgezeichnet ist, und einem Magnet-Meßfühler zur Erfassung eines durch das Magnetisierungsmuster erzeugten Magnetfelds erfindungsgemäß gelöst durch mindestens zwei im Magnet-Meßfühler vorgesehene Magnet-Widerstandselemente (magnetoresistive elements), die in einer Richtung senkrecht zum Magnetisierungsmuster gegeneinander versetzt sind, durch

JJUÖ4U4

eine mit den Widerstandselementen verbundene Einrichtung zur Lieferung zweier Ausgangssignale mit gegeneinander verschobenen Phasen und durch eine mit der letztgenannten Einrichtung verbundene Einrichtung zur Lieferung eines Differential-Ausgangssignals als die Relativverschiebung angebendes Meßausgangssignal.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines bisherigen Magnet-Meßfühlers,

Fig. 2 ein Schaltbild eines bisherigen Verschiebungsbzw. Wegdetektors mit dem Magnet-Meßfühler gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltbild eines bisherigen Magnet-Meßfühlers mit Anwendung des Gegenvormagnetisie-

rungssystems,

Fig. 4 eine (schematische) Aufsicht auf eine Vorrichtung zur Erfassung einer Relatiwerschiebung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Widerstandsänderung der Magnet-Widerstandselemente gemäß Fig. 4,
30

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Wellenform

eines Meßausgangssignals des Meßfühlers gemäß Fig. 4,

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 8 ein Schaltbild der Vorrichtung gemäß Fig. 7,

Fig. 9 und 10 (schematische) Aufsichten auf einen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt verwendeten magnetischen Aufzeichnungsträger,

Fig. 11 eine (schematische) Aufsicht auf noch eine andere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12 einen im vergrößerten Maßstab gehaltenen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 11,

Fig. 13A und 13B Schnitte längs der Linien A-A bzw. B-B

in Fig. 12,
15

Fig. 14 Wellenformdiagramme zur Erläuterung der Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 11,

Fig. 15 ein Schaltbild der Vorrichtung nach Fig. 11, 20

Fig, 16 ein Wellenformdiagramm eines Meßausgangssignals der Vorrichtung nach Fig. 11,

Fig. 17 eine perspektivische Darstellung noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 18 ein Schaltbild der Vorrichtung nach Fig. 17,

Fig. 19 und 20 (schematische) Aufsichten auf weitere Beispiele für bei der erfindungsgemäßen Vor

richtung bevorzugt verwendete magnetische Aufzeichnungsträger,

Fig. 21A, 21B und 21C eine Aufsicht, eine perspektivische Darstellung bzw. ein Schaltbild einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 22, 24, 26, 27, 29, 30 und 32 Schnittansichten zur Veranschaulichung aufeinanderfolgender Verfahrensschritte bei der Herstellung des Magnet-Meßfühlers gemäß Fig. 21A, 5

Fig. 23, 25, 28 und 31 Aufsichten auf Fotomasken zur Verwendung beim Herstellungsverfahren,

Fig. 33 eine Aufsicht auf noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung des

Magnet-Meßfühlers gemäß Fig. 21A,

Fig. 34 ein Schaltbild der Vorrichtung nach Fig. 33,

Fig. 35 eine (schematische) Aufsicht zur Veranschaulichung der Anordnung der Vorrichtung nach Fig. 33 über einem magnetischen Aufzeichnungsträger und

Fig. 36 und 37 Schaltbilder abgewandelter Ausführungs-

formen des erfindungsgemäßen Magnet-Meßfühlers.

Die Fig. 1 bis 3 sind eingangs bereits erläutert worden.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist ein magnetischer Aufzeichnungsträger 10 zwei Aufzeichnungs-Spuren 11a und 11b auf, auf denen Magnetisierungsmuster in der Weise aufgezeichnet sind, daß sie jeweils um einen halben Teilungsabstand P (des Magnetisierungsmusters) relativ zueinander verschoben sind. In Gegenüberstellung zu den Magnetisierungs-Spuren 11a und 11b befinden sich zwei ferromagnetische Magnet-Widerstandselemente 12a und 12b, die senkrecht zur Erstreckungsrichtung (Pfeil D) der Spuren 11a und 11b bzw. senkrecht zur Bewegungsrichtung zwischen Spuren und

Magnet-Widerstandselementen angeordnet sind.

Wenn sich der magnetische Aufzeichnungsträger 10 in der Richtung D verschiebt, ändern sich die an den beiden Magnet-Widerstandselementen 12a und 12b anliegenden Magnetfelder, so daß sich ihre Widerstandswerte R auf die durch die Kurven 13a bzw. 13b in Fig. 5 gezeigte Weise ändern. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ändern sich die Widerstandswerte phasenmäßig entgegengesetzt zueinander, Wenn daher die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen der beiden Widerstandselemente 12a und 12b ermittelt wird, kann eine durch die Kurve 14 in Fig. 6 dargestellte Differential-Ausgangsspannung erhalten werden. Da bei der dargestellten Ausführungsform die beiden Widerstandselemente 12a und 12b senkrecht zur Verlaufsrichtung des Magnetisierungsmusters angeordnet sind, ist die Erfassung (der Verschiebung) nicht mehr vom Teilungsabstand P des Magnetisierungsmusters abhängig, so daß die Verschiebungsoder Weg-Meßvorrichtung für verschiedene Magnetisierungs- muster unterschiedlicher Teilungsabstände verwendbar ist.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung befinden sich auf einem magnetischen Aufzeichnungsträger 20 zwei Magnetisierungsmuster-Spuren 21a und 21b, die in der Richtung D jeweils um einen halben Muster-Teilungsabstand P gegeneinander versetzt sind, über dem Aufzeichnungsträger 20 befinden sich ein isolierendes Substrat 22, das sich senkrecht zur Richtung D sowie zur Ebene des Aufzeichnungsträgers 20 erstreckt, und vier am Substrat 22 angeordnete Magnet-Widerstandselemente 23a, 23b, 24a und 24b. Die Widerstandselemente 23a und 24a sind dabei über der ersten Magnetisierungsmuster-Spur 21a angeordnet, wobei eine Isolierschicht 25a zwischen die Widerstandselemente 23a und 24a eingefügt ist. Die Widerstandselemente 23b und 24b sind mit einer zwischen

- yr -

ihnen angeordneten Isolierschicht 25b über der zweiten Spur 21b angeordnet. In Fig. 7 sind die Widerstandselemente und die Isolierschichten aus Darstellungsgründen mit großer Dicke veranschaulicht, in der Praxis sind sie jedoch sehr dünn. Die vier Magnet-Widerstandselemente 23a, 23b, 24a und 24b sind in eine Brückenschaltung bzw. Meßbrücke gemäß Fig. 8 eingeschaltet. Eine Verzweigung bzw. ein Verbindungspunkt zwischen den Magnet-Widerstandselementen 23a und 24b ist mit einer positiven Stromquelle +E verbunden, während ein Verbindungspunkt der Widerstandselemente 23b und 24a an eine negative Stromquelle -E , ein Verbindungspunkt zwischen den Widerstandselementen 23a und 23b an den negativen bzw. Minus-Eingang eines Differentialverstärkers 26 und ein Verbindungspunkt zwischen den Widerstandselementen 24a und 24b an den positiven bzw. Plus-Eingang des Differentialverstärkers 26 angeschlossen sind. Aufgrund dieser Anordnung wird an einer Ausgangsklemme 27 eine Differential-Ausgangs spannung erhalten. Während die Widerstandselemente 23a, 23b, 24a und 24b bei der dargestellten Ausführungsform senkrecht zur Ebene des magnetischen Aufzeichnungsträgers 20 angeordnet sind, können sie auch, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 4, parallel zu dieser Ebene angeordnet sein.

Bei der Weg-Meßvorrichtung gemäß Fig. 7 kann das Substrat 22 aus Glas bestehen; die Magnet-Widerstandselemente 23a, 23b, 24a, 24b können aus Folien oder Schichten aus Fe-Ni-Legierung (Permalloy) einer Dicke von etwa 50 nm bestehen, und die Isolierschichten 25a und 25b können aus einer Isolierfolie oder -schicht aus SiO- einer Dicke von etwa 100 bis 200 nm hergestellt sein. Diese Schichten können einfach aufgedampft sein. In diesem Fall ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr einfach und kostensparend herstellbar.

Da die Magnet-Widerstandselemente erfindungsgemäß senkrecht zur Bewegungsrichtung D angeordnet sind, kann ein magnetischer Aufzeichnungsträger mit einem Magnetisierungsmuster verschiedener oder variierender Teilungsabstände verwendet werden. Ein Beispiel für einen solchen Aufzeichnungsträger ist in Fig. 9 dargestellt. Dabei weist der magnetische Aufzeichnungsträger 30 zwei Aufzeichnungs-Spuren 31a und 31b auf, auf denen Magnetisierungsmuster unterschiedlicher Teilungsabstände bzw. Längen P-, P„, P_ ... aufgezeichnet sind. Längs der Spuren 31a und 31b sind die beiden Magnetisierungsmuster um eine einem halben Teilungsabstand bzw. einer halben Länge entsprechende Strecke gegeneinander versetzt. Bei dem in Fig. 10 dargestellten Beispiel weist ein magnetischer Aufzeichnungsträger 40 zwei Aufzeichnungsspuren 41a und 41b auf, auf denen Magnetisierungsmuster sich fortlaufend ändernder Teilungsabstände aufgezeichnet sind. In diesem Fall sind die Magnetisierungsmuster ebenfalls (in den beiden Spuren) um jeweils einen halben Teilungsabstand gegeneinander versetzt. Beim bisherigen Magnet-Meßfühler können diese magnetischen Aufzeichnungsträger gemäß Fig. 9 und 10 in keinem Fall verwendet werden. Im Fall einer Änderung der Meßgenauigkeit während der Verschiebung oder Bewegung ist die Verwendung eines solchen magnetischen Aufzeichnungsträgers sehr vorteilhaft.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind die senkrecht zur Verlaufsrichtung des Magnetisierungsmusters angeordneten Magnet-Widerstandselemente nicht magnetisch vorgespannt bzw. vormagnetisiert, vielmehr wird ein Differentialausgangssignal aufgrund der Anordnung der beiden Magnetspuren erhalten, in denen die Magnetisierungsmuster mit einer Phasenverschiebung von 180° aufgezeichnet sind.

Bei im folgenden noch zu beschreibenden Ausführungsformen

der Erfindung wird eine einzige Magnetspur vorgesehen, über welcher mindestens zwei Magnet-Widerstandselemente senkrecht zu dem in der Magnetspur aufgezeichneten Magnetisierungsmuster angeordnet sind, um ein Differential-Ausgangssignal zu liefern. Zu diesem Zweck sind diese Widerstandselemente in entgegengesetzte Richtungen magnetisch vorgespannt, d.h. vormagnetisiert.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 sind zwei Magnet-Widerstandselemente in entgegengesetzten Richtungen vormagnetisiert. Ein magnetischer Aufzeichnungsträger 50, auf dem ein Magnetisierungsmuster mit einem vorgegebenen Teilungsabstand P aufgezeichnet ist, ist an einem Element befestigt, dessen Verschiebung gemessen werden soll.

Über dem Aufzeichnungsträger 50 ist ein Magnet-Meßfühler 51 angeordnet. Wie am besten aus Fig. 12 hervorgeht, umfaßt der Magnet-Meßfühler 51 ein isolierendes Substrat 52 und zwei aus ferromagnetische!!! Werkstoff bestehende Magnet-Widerstandselemente 53a und 53b, die senkrecht · zur Verlaufrichtung des Magnetisierungsmusters auf dem Aufzeichnungsträger 50, d.h. senkrecht zur Verschiebungsoder Bewegungsrichtung (Pfeil D) ausgerichtet sind. Zur Vormagnetisierung der Magnet-Widerstandselemente 53a und 53b weist bei dieser Ausführungsform der Magnet-Meßfühler 51 weiterhin auf die Widerstandselemente 53a und 53b aufgetragene Isolierschichten 54a bzw. 54b sowie auf letztere aufgetragene Leiterschichten 55a bzw. 55b auf. Die Leiterschichten 55a und 55b sind so an eine Gleichspannungsquelle 56 angeschlossen, daß ein Vorspannungs- bzw. Vormagnetisierungsstrom auf die durch die Pfeile in Fig. 12 angedeutete Weise in entgegengesetzten Richtungen durch die Magnet-Widerstandselemente 53a und 53b fließt. Da in der ersten Leiterschicht 55a der Strom gegenüber der Zeichnungsebene von Fig. 13A in Rückwärtsrichtung fließt, wird um die Leiterschicht 55a

herum ein im Uhrzeigersinn verlaufendes Vormagnetisierungsfeld erzeugt. Das Magnet-Widerstandselement 53a wird daher gemäß Fig. 13A nach links vormagnetisiert. In der Leiterschicht 55b fließt dagegen der Strom in bezug auf die Zeichnungsebene von Fig. 13b in Vorwärtsrichtung, so daß um die Leiterschicht 55b herum ein Vormagnetisierungsfeld in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn erzeugt wird und daher das Magnet-Widerstandselement 53b gemäß Fig. 13b nach rechts vormagnetisiert ist. Die beiden Widerstandselemente 55a und 55b sind infolgedessen in entgegengesetzte Richtungen vormagnetisiert.

Die Kurven 57a und 57b gemäß Fig. 14 veranschaulichen an den Magnet-Widerstandselementen 53a bzw. 53b anliegende Magnetfelder, die aus den Vormagnetisierungsfeldern +^H und Magnetfeldern infolge des auf dem Aufzeichnungsträger 50 aufgezeichneten Magnetmusters zusammengesetzt sind. Die Widerstandswerte R der Widerstandselemente 53a und 53b ändern sich dabei auf die durch die Kurven 58a bzw. 58b gezeigte Weise. Bevorzugt sind die Größen der Vormagnetisierungsfelder +.,EL so

— B

gewählt, daß die Arbeitspunkte der Magnet-Widerstandselemente 53 und 53b praktisch auf den Mittelpunkten von einander gegenüberliegenden linearen Abschnitten der Magnet-Widerstands-Kennlinien der Widerstandselemente 53a bzw. 53b liegen. Wie durch die Kurven 58a und 58b veranschaulicht, ändern sich die Widerstandswerte R der Widerstandselemente 53a und 53b gegenphasig. Wenn daher die Widerstandselemente 53a und 53b miteinander in Reihe geschaltet sind und die Reihenschaltung gemäß Fig. 15 zwischen positive und negative Spannungsguellen +E und -E eingeschaltet ist, kann ein Differential-Ausgangssignal von einer Verzweigung 59 zwischen den Widerstandselementen 53a und 53b abgenommen werden, wobei dieses Differential-Ausgangssignal durch die Kurve V gemäß Fig. 16 veranschaulicht ist.

Da bei der beschriebenen Ausführungsform die Leiterschichten 55a und 55b mit der Gleichspannungsquelle 56 in Reihe geschaltet sind, beeinflussen etwaige Änderungen der Spannungsquelle 56 die an den Widerstandselementen 53a und 53b anliegenden Vormagnetisierungsfelder in gleicher Weise, so daß die Änderung im Differential-Ausgangssignal V nicht erscheint.

Fig. 17 veranschaulicht in perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher über einen magnetischen Aufzeichnungsträger 60 mit einem auf diesem aufgezeichneten Magnetisierungsmuster ein Magnet-Meßfühler 61 angeordnet ist, der ein senkrecht zur Ebene des Aufzeichnungsträgers 60 stehendes isolierendes Substrat 62 aufweist, auf dem wiederum zwei Magnet-Widerstandselemente 63a und 63b angeordnet sind, die senkrecht zur Verschiebungs- oder Bewegungsrichtung D nebeneinander ausgerichtet sind. Auf den Widerstandselementen 63a und 63b sind unter Zwischenfügung dünner· Isolierschichten 65a bzw. 65b dritte und vierte Magnet-Widerstandselemente 64a bzw. 64b angeordnet. Zur Vormagnetisierung der Magnet-Widerstandselemente 63a, 63b, 64a und 64b sind auf die Widerstandselemente 64a und 64b unter Zwischenfügung dicker Isolierschichten 66a bzw. 66b Leiterschichten 67a bzw. 67a aufgebracht. Die Leiterschichten 66a und 66b sind wie bei der vorher beschriebenen Ausführungsform mit einer Gleichspannungsquelle in Reihe geschaltet, um die Widerstandselemente 63a, 64a und 63b, 64b in zueinander entgegengesetzten Richtungen vorzumagnetisieren.

Die vier Magnet-Widerstandselemente 63a, 63b, 64a und 64b des Magnet-Meßfühlers 61 sind auf die in Fig. 18 dargestellte Weise in eine Brückenschaltung bzw. Meßbrücke eingeschaltet. Eine Verzweigung zwischen den

Widerstandselementen 63a und 64b ist mit einer positiven Spannungsquelle +E verbunden, eine Verzweigung zwischen den Widerstandselementen 63b und 64a liegt an einer negativen Spannungsquelle -E, und die Verzweigungen oder Verbindungspunkte zwischen den Widerstandselementen 64a und 64b sowie zwischen den Widerstandselementen 63a und 63b sind an positiven bzw. negativen Eingang eines Differentialverstärkers 68 angeschlossen. An einem Ausgang 69 des Differentialverstärkers 68 wird dabei ein Differential-Ausgangssignal geliefert.

Beim Magnet-Meßfühler 61 gemäß Fig. 17 bestehen die Magnet-Widerstandselemente 63a, 63b, 64a und 64b aus 100 bis 200 nm dicken Filmen bzw. Schichten aus Fe-^Ni-Legierung (Permalloy) auf dem Glas-Substrat 62; die dünnen Isolierschichten 65a und 65b können aufgedampfte Schichten aus SiO₂ einer Dicke von 100 bis 200 nm sein; die dicken Isolierschichten 26a und 26b können aus SiO_- Schichten einer Dicke von mehreren um sein, und die Leiterschichten 67a und 67b können aus einer 100 nm dicken, aufgedampften Schicht aus einem nicht-magnetischen Werkstoff, wie Al, Au oder Cu, bestehen.

Da bei den beschriebenen Magnet-Meßfühlern mit mindestens zwei in entgegengesetzten Richtungen vormagnetisierten Magnet-Widerstandselementen letztere senkrecht zur Verlauf srichtung der auf dem magnetischen Aufzeichnungsträger aufgezeichneten Magnetisierungsmuster ausgerichtet sind, können die betreffenden Magnet-Meßfühler einschränkungsfrei für beliebige Magnetisierungsmuster willkürlicher Teilungsabstände eingesetzt werden. Bevorzugt kann daher ein in Fig. 19 dargestellter magnetischer Aufzeichnungsträger mit einem aufgezeichneten Magnetisierungsmuster unterschiedlicher Teilungsabstände P.., V , P ... sowie ein in Fig. 20 dargestellter magnetischer

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- yf -

Aufzeichnungsträger mit einem Magnetisierungsmuster eines sich fortlaufend ändernden Teilungsabstands verwendet werden.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 11 und 17 sind für die entgegengesetzte Vormagnetisierung der Magnet-Widerstandselemente die Leiterschichten vorgesehen, durch welche der Vormagnetisierungsgleichstrom geleitet wird. Erfindungsgemäß kann die Vormagnetisierung auch mittels des Gegenvormagnetisierungssystem erfolgen. In diesem Fall brauchen die Leiterschichten und die Gleichspannungsquelle zur Lieferung des Vormagnetisierungsstroms nicht vorgesehen zu sein.

Die Fig. 21A bis 21C veranschaulichen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher vier Magnet-Widerstandselemente nach dem Gegenvormagnetisierungssystem magnetisch vorgespannt bzw. vormagnetisiert sind. In Fig. 21A sind die obersten Isolierschichten weggelassen und die Magnet-Widerstandselemente zur deutlicheren Veranschaulichung schraffiert dargestellt. Der Magnet-Meßfühler umfaßt ein Substrat S aus Silicium sowie zwei unter Zwischenfügung von Isolierschichten INS₁ bzw. INS auf dem Substrat S angeordnete Magnet-Widerstandselemente MR bzw. MR , die durch Musterbildung an einer einzigen Magnetwiderstandsschicht geformt sind. Die restlichen Magnet-Widerstandselemente MR und MR₄ sind unter Zwischenfügung von Isolierschichten INS_ bzw. INS. auf den Magnet-Widerstandselementen MR₁ bzw. MR angeordnet. Die Widerstandselemente MR und MR. sind ebenfalls jeweils aus einer einzigen Magnet-Widerstandsschicht gebildet. Die Isolierschichten INS. bis INS. sind gleichfalls durch Musterbildung an entsprechenden Isolierschichten geformt. Gemäß Fig. 21C sind die vier Magnet-Widerstandselemente MR bis MR. in eine Brückenschaltung

- η-

- i-er -

bzw. Meßbrücke geschaltet. Dabei sind die einen Enden der unteren Widerstandselemente MR und MR an Kontakten C bzw. Cy mit einem Leiter L₁ verbunden, der seinerseits an eine Klemme T angeschlossen ist. Die einen Enden der oberen Widerstandselemente MR_ und MR. sind an Kontakten C-. bzw. C₄ mit einem Leiter L_ verbunden, der seinerseits an eine Klemme T„ angeschlossen ist. Die andere Seite des unteren Widerstandelements MR ist über einen Kontakt C_ und einen Leiter L₃ mit einer Klemme T₃ verbunden, während die andere Seite des oberen Widerstandelements MR-. über einen Kontakt C- und einen Leiter L. an eine Klemme T. angeschlossen ist. Die andere Seite des unteren Magnet-Widerstandselementes MR^ liegt über einen Kontakt C₇ und einen Leiter L_ an einer Klemme T , und die andere Seite des oberen Widerstandelementes MR. ist über einen Kontakt C₀ und einen Leiter L, an eine Klemme Ί_c ange-

O DD

schlossen. In Fig. 21A sind die Kontakte der unteren Widerstandselemente MR und MR in doppelten Umrissen dargestellt. Gemäß Fig. 21C bilden die Klemmen T und T Ausgänge der Brückenschaltung, die mit den Eingängen eines Differentialverstärkers DA verbunden sind. Die Klemmen T und T. sind an einer Plus-Klemme einer Spannungsquelle E zusammengeschaltet, während die Klemmen Tp und T-. an einer Minus-Klemme der Stromquelle E

D O

zusammengeschaltet sind. Die Klemmen T_ und T. sowie

die Klemmen T_ und T₇. können daher jeweils als Einzel-D b

anschluß ausgebildet sein. Bevorzugt werden jedoch die getrennten Klemmen gemäß Fig. 21A vorgesehen, weil in diesem Fall die Magnet-Widerstandselemente getrennt geprüft werden können. Beispielsweise kann der Widerstandswert des Widerstandselementes MR durch Messung der Widerstandsgröße zwischen den Klemmen T_ und T. bestimmt werden. Dieses Merkmal gewährleistet ein höheres Fertigungsausbringen an Magnet-Meßfühlern mit mehreren Magnet-Widerstandselementen.

Λ · O β 4»

Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind die Magnet-Widerstandselemente MR bis MR. nach dem sekundären
Gegenvormagnetisierungssystem vormagnetisiert. Die
Widerstandselemente MR und MR_ unterliegen daher einem Vormagnetisierungsfeld, das in bezug auf die Zeichnungsebene gemäß Fig. 21C nach vorn· gerichtet ist, während die Widerstandselemente MR- und MR. ein Vormagnetisierungsfeld führen, das gegenüber der Zeichnungsebene von Fig. 21 nach unten gerichtet ist. An einem Ausgang des Differentialverstärkers DA wird daher ein Differential-Ausgangssignal mit höherer Meßempfindlichkeit und ohne Beeinflussung durch Rausch- oder Störsignale erhalten.

Im folgenden sei ein unausgeglichenes bzw. unsymmetrisches Ausgangssignal des Magnet-Meßfühlers betrachtet. Hierbei seien ein spezifischer Widerstand als Funktion • der Temperatur T der ersten, erstes und zweites Magnet-Widerstandselement MR₁ bzw. MR_ bildenden Magnetwiderstandsschicht mit P₁(T), die Dicke der ersten Magnet-Widerstandsschicht mit t.., ein spezifischer Widerstand als Funktion der Temperatur einer zweiten, die
Widerstandselemente MR, und MR. bildenden Magnetwiderstandsschicht mit £> (t) , die Dicke der zweiten Magnetwiderstandsschicht mit t„, ein Musterformkoeffizient

(d.h. Länge/Breite) der Widerstandselemente MR₁ und MR, mit k₁ und ein Musterformkoeffizient der Widerstandselemente MR und MR. mit k vorausgesetzt. Die Widerstandswerte R bis R. der Magnet-Widerstandselemente
MR bis MR lassen sich dann wie folgt ausdrücken:

30

Ri	= Pi	(T)	• Ic₂A₁
R₂	= Pi	(T)	• Ic₁A₂
R₃	^S P2	(T)	♦ Ic₂A₂
R*	= Pa	(T)

Eine unausgeglichene bzw. unsymmetrische Ausgangsspannung AV ohne ein zu messendes Magnetfeld läßt sich dann durch die folgende Gleichung

= V · ™2 _ ν · —*

^Vs R₁+R₂ ^Vs R₃+R₄

_ _v . Pi(T)-Wt₁

s ρ

¹⁰ _v

s P₂(T)-Ic₁Zt₂ + P₂(T)-Ic₂A₂

22 - ²

= 0

ausdrücken, in welcher V die Spannung der Spannungsquelle E bedeutet. Aus der obigen Gleichung geht hervor, daß auch im Fall von P₁(T) Φ p₂(T), t^ φ t und k Φ k die unausgeglichene bzw. unsymmetrische Spannung ^V stets gleich Null ist und daher die Messung genau und ohne Beeinflussung durch Abweichung und temperaturabhängige Drift durchgeführt werden kann.

Im folgenden ist ein Herstellungsbeispiel für den in Fig. 21A daigestellten Magnet-Meßfühler gemäß der Erfindung im einzelnen erläutert.

Zunächst werden gemäß Fig. 22 auf einem Siliziumsubstrat 71 nacheinander eine erste Isolierschicht 72 aus Ta_0,-mit einer Dicke von 50 lim, eine erste, 30 nm dicke

3C Magnetwiderstandsschicht 73 aus 81 % Ni und 19% Fe (permalloy), eine zweite Isolierschicht 74 aus SiO₅ mit einer Dicke von 150 nm, eine dritte, 50 nm dicke Isolierschicht 75 aus Ta₂O₅, eine zweite Magnetwiderstandsschicht 76 aus Ni-Fe-Permalloy mit einer Dicke von 30 nm und eine vierte, 150 nm dicke Isolierschicht 77 aus SiO_

abgelagert bzw. aufgedampft. Das Aufdampfen dieser Schichten erfolgt bei einer Temperatur des Substrats 71 von 300 C. Da das Sili?iumsubstrat eine ausgezeichnete Wärmeabstrahlleistung besitzt, kann ein größerer Strom durch die Magnet-Widerstandselemente geleitet und ein Meßausgangssignal mit großem Rauschabstand erhalten werden. Siliziumsubstrate werden verbreitet bei der Halbleiterherstellung verwendet, so daß Siliziumsubstrate hoher Güte ohne weiteres erhältlich sind. Sodann wird eine Photoresistschicht des positiven Typs (p-Typ) bei einer Temperatur des Substrats 71 von 300 c auf die vierte Isolierschicht 77 aufgetragen. Als Photoresistschicht kann die Trockenätzmasse AZ-1350 verwendet werden.

Anschließend wird die Photoresistschicht gemäß Fig. 23 durch eine Photomaske PM. selektiv belichtet. In der Photomaske ist ein vorgegebenes Muster entsprechend dem Muster der auszubildenden Magnet-Widerstandselemente vorgesehen. Die nicht gehärteten Abschnitte der Photoresistschicht, die mit dem durch einen durchsichtigen Teil PM₁ hindurchfallenden Licht belichtet worden sind, werden hierauf entfernt. Bei der dargestellten Ausführungsform besitzt das Magnet-Widerstandselement eine Länge L von etwa 1 mm und eine Breite B von 50 Jim.

Anschließend werden die Schichten 72 bis 77 gleichzeitig durch Trockenätzung selektiv abgetragen. Dieses Ätzen erfolgt mit Hilfe eines Gasgemisches aus CF. zum Abtragen der Isolierschichten aus Ta 0. und SiO , CCl.

zum Anätzen der Magnet-Widerstandsschichten aus Fe-Ni-Legierung (Permalloy) sowie O₂ zur Unterstützung der Wirkung des gasförmigen CCl₄. Da alle sechs Schichten 72 bis 77 in einem einzigen Ä'tzvorgang gleichzeitig behandelt werden, läßt sich der Ätzvorgang einfach durchführen, und die beiden übereinanderliegenden Magnet-Wider-

standseleraerte können eine vollkommen identische Form erhalten, so daß sie auch gleiche Eigenschaften besitzen. Da weiterhin die beiden Magnet-Widerstandselemente und MR^ aus der ersten Magnetwiderstandsschicht 73 und die beiden anderen Widerstandselemente MR- und MR. aus

3 4

der zweiten Magnetwiderstandsschicht 76 geformt werden, besitzen sie auch jeweils gleiche Dicken und Eigenschaften.

Nach dem Abtragen des restlichen Photoresistmaterials wird gemäß Fig. 24 eine weitere Photoresistschicht 78 des negativen Typs (η-Typ) aufgebracht. Mittels einer in Fig.

25 dargestellten Photomaske PM mit undurchsichtigen Abschnitten PM werden sodann in der Photoresistschicht

Z 3.

78 mehrere Öffnungen 78a ausgebildet, welche den Kontakten für die erste Magnetwiderstandsschicht 73 entsprechen.

Anschließend werden die vierte Isolierschicht 77, die zweite Magnetwiderstandsschicht 76 und die dritte Isolierschicht 77 einer Ätzbehandlung unterworfen, um gemäß Fig.

26 eine bis zur zweiten Isolierschicht 74 durchgehende Öffnung 80 auszubilden. Diese Ätzbehandlung kann ebenfalls mittels eines Trockenätz-Gasgemisches aus CF., CCl₄ und 0 erfolgen. Da dieser Ätzvorgang nur so lange durchgeführt zu werden'braucht, bis die zweite Isolierschicht 74 freigelegt ist, und letztere dabei mehr oder weniger angeätzt werden kann, braucht der Ätzvorgang nicht genau gesteuert zu werden. Das Ätzen kann außerdem auch nach einem Naßätzverfahren erfolgen. In diesem Fall können Fluorwasserstoffsäure als Ätzmittel für SiO_ , ein alkalisches Ätzmittel für Ta 0 und ein starkes Ätzsäuregemisch für die Fe-Ni-Legierung (P ermalloy) verwendet werden.

Gemäß Fig. 27 wird als nächstes eine isolierende Photoresistschicht 81 des negativen Typs (η-Typ) aus z.B.

33U8404

einem Polyimid-Photoresistmaterial aufgebracht. In dieser Photoresistschicht 81 werden sodann mittels einer Photomaske PM₃ gemäß Fig. 28 öffnungen 81a , 81b ausgebildet. Die öffnung 81a wird dabei am Boden bzw. an der Sohle der durchgehenden öffnung 80 geformt; die undurchsichtigen Abschnitte der Photomaske PM-, entsprechend der Öffnung 81a/ sind in Fig. 28 bei PM- angedeutet. Weitere undurchsichtige Abschnitte PM-, entsprechen den öffnungen 81b. Die Photomaske PM- weist weiterhin einen großen undurchsichtigen Abschnitt PM₃ auf, der zum Abtragen der isolierenden Photoresistschicht 81 in einem Bereich dient, an welchem später eine Leitungsverbindung erfolgt. In Fig. 27 ist jedoch eine dem undurchsichtigen Abschnitt PM₃ entsprechende öffnung aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt.

Die zweite und die vierte SiO -Isolierschicht 74 bzw. 77 werden dann durch die öffnungen 81a und 81b hindurch selektiv mit einem Ätzmittel geätzt, das zwar SiO_?, nicht aber Ta 0. angreift. Bei diesem Ätzmittel kann es sich um eine Fluorwasserstoffsäure handeln, z.B. HF + 6NH₄F. Während dieses Ätzvorgangs werden in den Isolierschichten 74 und 77 öffnungen 74a bzw. 77a geformt, die sich bis zur ersten und zweiten Magnetwiderstandsschicht 73 bzw. 76 erstrecken. Da für die Ausbildung der öffnungen 81a und 81b ein SiO selektiv angreifendes Ätzmittel verwendet wird, kann ein"Kurzschluß zwischen den beiden Magnetwiderstandsschichten 73 und 76 über möglicherweise auftretende Feinlöcher sicher verhindert werden.

Gemäß Fig. 30 werden anschließend zur Bildung einer Metallschicht 83 eine 200 nm dicke Mo-Schicht und eine 500 nm dicke Au-Schicht nacheinander auf die isolierende Photoresistschicht 21 aufgetragen. Bei dieser Metallauftragung oder -aufdampfung wird das Substrat 71 auf etwa

25O°C erwärmt.

Nach dem Aufbringen einer Photoresistschicht des positiven Typs (p-Typ) über der Metallschicht 83 wird letztere mittels einer in Fig. 31 dargestellten Photomaske PM. einer Musterbildung zur Herstellung eines Leiterzugmusters gemäß Fig. 32 unterworfen. Sodann ist ein Chip in Form eines Magnet-Widerstandselementes fertiggestellt.

¹^ Anschluß hieran werden gemäß Fig. 33 zwei derartige Chips 86 und 87 auf einer Platte 84 angeordnet. Letztere besteht aus einem isolierenden Substrat oder Träger aus Glas bzw. Epoxyharz mit Metallabschnitten 85a und 85b, die durch Musterbildung an einer auf dem Substrat aufgetragenen Metallschicht in Form einer 5 um dicken Ni-Schicht und einer 1 pm dicken Au-Schicht ausgebildet sind. Die die Magnet-Widerstandselemente tragenden Chips

86 und 87 werden mit dem Metallabschnitt 85a verbunden bzw. verklebt. Da der Metallabschnitt 85a eine sehr große Oberfläche besitzt, gewährleistet er eine wirksame Wärmeabstrahlung. Wie vorstehend beschrieben, umfaßt jedes Chip 86 und 87 die vier Magnet-Widerstandselemente, wobei die Anschlüsse oder Klemmen T₊ bis T_ und T'

Ib 1

bis T¹, der Chips mittels feiner Metalldrähte 88 mit dem

Metallabschnitt 85b auf der Platte 84 verbunden sind.

Zur wirksamen Durchführung der Verdrahtung ist die isolierende Photoresistschicht 81, wie vorher in Verbindung mit Fig. 28 erwähnt, in einem Bereich unterhalb der Anschlüsse T₁ bis T- und T' bis T' entfernt worden. Die Io ι b

Metallabschnitt 85b werden mit Anschlüssen bzw. Klemmen 89a bis 89f auf der Platte 84 in der Weise verbunden, daß die Widerstandselemente MR₁ bis MR. auf dem Chip 86 und die Widerstandselemente MR' bis MR' auf dem Chip

87 auf die in Fig. 34 gezeigte Weise in Brückenschaltung geschaltet werden. Sodann werden die Anschlüsse 89a und

33U8404

-F-

89f auf der Platte 84 mit Plus- bzw. Minus-Klemme einer Gleichspannungsquelle E verbunden, während die Anschlüsse 89b und 89c mit negativem bzw. positivem Eingang eines ersten Differentialverstärkers DA und die Anschlüsse 89d und 89e mit negativem bzw. positivem Eingang eines zweiten Differentialverstärkers DA¹ verbunden werden. Die Ausgangssignale der Differentialverstärker DA und DA¹ werden einer Signalverarbeitungsschaltung SPC eingespeist und in dieser verarbeitet. Gemäß Fig. 35 ist die mit den Magnetwiderstandelementen(Chips) 86 und 87 versehene Platte 84 über einem magnetischen Aufzeichnungsträger 90 angeordnet, der zwei Magnetisierungsmuster 91a und 91b aufweist, die ihrerseits in Richtung der Verschiebung oder Bewegung (Pfeil D) um einen halben Teilungsabstand des Magnetisierungsmusters relativ zueinander verschoben sind. Die beiden Chips 86 und 87 sind in einer Richtung ausgerichtet, die im wesentlichen senkrecht zur Verlaufsrichtung des Magnetisierungsmusters liegt. Die Signalverarbeitungsschaltung SPC liefert daher ein Meßausgangssignal, das Richtung und Größe der Verschiebung bzw. Bewegung angibt.

Fig. 36 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verschiebungsmeßvorrichtung. Dabei sind Magnet-Widerstandselemente MR und MR_ sowie Magnet-Widerstandselemente MR_ und MR₄ jeweils mit einer Gleichspannungsquelle E in Reihe geschaltet. Aufgrund des sekundären Gegenvormagnetxsierungssystems sind

erstes und zweites Widerstandselement MR₁ und MR einem gegenüber der Zeichnungsebene rückwärts gerichteten Vorspannungsmagnet- bzw. Vormagnetisierungsfeld unterworfen, während drittes und viertes Widerstandselement MR₃ bzw. MR₄ einem gegenüber der Zeichnungsebene nach vorn gerichteten Vormagnetisierungsfeld ausgesetzt sind. In diesem Fall läßt sich die unausgeglichene bzw. un-

äymmetrische Ausgangsspannung /\ ν wie folgt ausdrücken:

_{= v}

s ¹R₁+R₃ R

• Wt,

+ P₂(T)-It₂A₂

" P₁(T)-U₁Ai ⁺ P₂(T)^k₂A₂ ¹ '

Mit der Ausführungsform gemäß Fig. 36 kann somit insgesamt dieselbe Wirkung wie mit der Ausführungsform gemäß Fig. 21 gewährleistet werden.
15

Bei der weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 37 sind Magnet-Widerstandselemente MR₁ und MR₃ sowie Magnet-Widerstandselemente MR₃ und MR₄ jeweils mit einer Gleichspannungsquelle E in Reihe geschaltet. An den Widerstandselementen MR₁ und MR₃ liegt daher ein in bezug auf die Zeichnungsebene rückwärts gerichtetes Vormagnetisierungsfeld an, während die Widerstandselemente MR und MR₄ einem in bezug auf die Zeichnungsebene nach vorn gerichteten Vormagnetisierungsfeld ausgesetzt sind. Die unausgeglichene bzw. unsymmetrische Ausgangsspannung Δ V läßt sich in diesem Fall wie folgt ausdrücken:

= V ί

s ¹

_ _ν

S R₁ ¹^R₃ R₂ +R₄

P₁(T) « Wt₁

P₂(T) . Ic₁Zt

₌ ν

+ p₂(T)-k₂Zt₂

"•Ο Kl Λ

ί -S ^k₁+k₂ Ic₁+k₂

s ν

·
s Ic₁ + k₂

Im allgemeinen sind die Fonnkoeffizienten (configuration coefficients) k₁ und k nicht einander gleich, so daß die unausgeglichene bzw. unsymmetrische Spannung /\ V nicht gleich Null ist. Die temperaturabhängigen Änderungen werden jedoch nicht in die unsymmetrische Spannung ^V eingeführt, so daß keine Temperatur-Drift auftritt. Da weiterhin die unsymmetrische Spannung Δ V konstant ist bzw. wird, kann sie einfach durch eine Abweichspannung (off-set voltage) kompensiert werden.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen bestehen die Isolierschichten oder -filme aus SiO₂ und Ta₃O₅, doch können sie auch durch andere Oxide, Fluoride oder Nitride gebildet sein. Beispielsweise kann hierfür MgF- und Si-N₄ benutzt werden. Das Ätzen kann nicht nur durch Trocken- und Natzätzen, sondern auch durch Sprühätzung in gasförmigem Ar erfolgen. Zudem kann die isolierende Photoresistschicht aus Polyimidharz entfernt (weggelassen) und durch eine andere Isolierschicht ersetzt werden. Das bei den beschriebenen Ausführungsformen aus Silicium bestehende Substrat kann auch aus Keramikmaterial oder Glas

32-

hergesteilt sein. Das selektive Ätzen kann auch mittels einer Resistschicht erfolgen, die durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl gehärtet worden ist. In diesem Fall können die Photomasken entfallen. Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind weiterhin die Magnet-Widerstandselemente nach dem sekundären Gegenvormagnetisierungssystem vormagnetisierbar, doch kann auch das primäre Gegenvormagnetisierungssystem angewandt werden. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 35 weist der magnetisehe Aufzeichnungsträger zwei die Magnetisierungsmuster tragende Aufzeichnungsspuren auf, doch kann auch ein magnetischer Aufzeichnungsträger mit nur einem einzigen Magnetisierungsmuster verwendet werden. Darüber hinaus kann das magnetische Vorspannungsfeld bzw. Vormagnetisierungsfeld auch in der Weise erzeugt werden, daß ein Dauermagnet oder ein Elektromagnet in der Nähe der Magnet-Widerstandselemente angeordnet wird. Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird der magnetische Aufzeichnungsträger relativ zum vorrichtungsfesten Magnet-Meßfühler bewegt, doch kann auch der Magnet-Meßfühler oder sowohl Meßfühler als auch Aufzeichnungsträger bewegt werden.

, -33-.

Leerseite

Claims

Henkel, Pfenning, Feiler, Hänzel & Meinig Patentanwälte
European Patent Attorneys Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt
Dr phil G Henkei. München Dip! -Ing. J Pfenning. Berlin Dr. rer nat L. Feiler. München Dip! -Ing. W. Hänzei. München Dipl.-Phys K H Memig ΒβΊιπ Dr. Ing Ä Butenschon Berlin
Copal Company Limited
Möhlstraße 37 Tokio / Japan D-8000 München 80
Tel. 089/982085-87
Telex 05 29 802 hnkl d
Telegramme, ellipsoid
9. März 1983/wa 57-36,640 comb.

Vorrichtung zur Erfassung bzw. Messung einer Relativverschiebung

Patentansprüche

Λ J Vorrichtung zur Erfassung bzw. Messung einer Relativverschiebung zwischen einem magnetischen Aufzeichnungsträger mit mindestens einer Magnetspur, auf der ein Magnetisierungsmuster aufgezeichnet ist, und einem Magnet-Meßfühler zur Erfassung eines durch das Magnetisierungsmuster erzeugten Magnetfelds, gekennzeichnet durch mindestens zwei im Magnet-Meßfühler vorgesehene Magnet-Widerstandselemente (magnetoresistive elements) (z.B. 12a, 12b), die in einer Richtung senkrecht zum Magnetisierungsmuster gegeneinander versetzt sind, durch eine mit den Widerstandselementen (z.B. 12a, 12b) verbundene Einrichtung (z.B. +E, -E) zur Lieferung zweier Ausgangssignale mit gegeneinander verschobenen Phasen und durch eine mit der letztgenannten Einrichtung verbundene Einrichtung (z.B. 26) zur Lieferung eines Differential-Ausgangssignals als die Relativverschiebung angebendes Meßausgangssignal.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Magnet-Widerstandselemente in der senkrecht zur Verläufsrichtung des Magnetisierungsmusters verlaufenden Richtung nebeneinander ausgerichtet bzw. angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Magnet-Widerstandselemente zudem in Verlaufsrichtung des Magnetisierungsmuster (zueinander) verschoben bzw. versetzt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Aufzeichnungsträger zwei parallel zueinander angeordnete und jeweils ein Magnetisierungsmuster tragende Magnetspuren aufweist, daß die Magnetisierungsmuster jeweils um eine Strecke entsprechend ihrem halben Teilungsabstand (pitch) zueinander verschoben sind und daß erstes und zweites Magnet-Widerstandselement erster bzw. zweiter Magnetspur gegenüberstehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Magnet-Widerstandselemente am einen Ende zusammengeschaltet und an ihren anderen Enden an eine positive bzw. eine negative Spannungsquelle angeschlossen sind und daß das Meßausgangssignal von einem Verbindungspunkt (Verzweigung) zwischen den beiden Widerstandselementen als Differential-Ausgangssignal abnehmbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf erstem und zweitem Magnet-Widerstandselement unter Zwischenfügung von Isolierelementen dritte bzw. vierte Magnet-Widerstandselemente angeordnet sind, die zwischen positiver und negativer Spannungsquelle miteinander in Reihe geschaltet sind, und daß ein Verbindungspunkt zwischen erstem und zweitem Widerstandselement sowie ein Verbindungs-

punkt zwischen drittem und viertem Widerstandselement an den positiven bzw. negativen Eingang eines Differentialveretärkers mit einem Ausgang, an dem das Meßausgangssignal abnehmbar ist, angeschlossen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum magnetischen Vorspannen bzw. Vormagnetisieren der mindestens zwei Magnet-Widerstandselemente in zueinander entgegengesetzten Richtungen vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormagnetisierungseinrichtung Leiterelemente, die unter Zwischenfügung von Isolierelementen auf die Magnet-Widerstandseleroente aufgebracht sind, und eine zwischen die Leiterelemente eingeschaltete Spannungsquelle zur Führung eines Vorspann- bzw. Vormagnetisierungsstroms über die Leiterelemente aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Magnet-Widerstandselemente so angeordnet sind, daß erstes und drittes Magnet-Widerstandselement sowie zweites und viertes Widerstandselement jeweils unter Zwischenfügung eines Isolierelements aufeinander liegen, daß erstes und drittes Widerstandselement gegenüber zweitem und viertem Widerstandselement in der genannten Verlaufsrichtung gegeneinander versetzt sind und daß erstes und drittes Widerstandselement sowie zweites und viertes Widerstandselement mittels hindurchgeleiteter Treiberströme jeweils gegeneinander magnetisch vorgespannt bzw. vormagnetisiert sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Magnet-Widerstandselemente in eine Brückenschaltung bzw. Meßbrücke geschaltet sind und daß Diagonal-

punkte der Brückenschaltung an positiven bzw. negativen Eingang eines Differentialverstärkers, der an seinem Ausgang das Meßausgangssignal liefert, angeschlossen sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß erstes und zweites Magnet-Widerstandselement durch Musterbildung (patterning) an einer ersten, auf ein Substrat aufgetragenen Magnetwiderstandsschicht ausgebildet sind und daß drittes und viertes Magnet-Widerstandselement durch Musterbildung an einer zweiten, unter Zwischenfügung einer Isolierschicht auf die erste Magnetwiderstandsschicht aufgetragenen Magnetwiderstandsschicht ausgebildet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht durch zwei Isolierschichten aus unterschiedlichen Isoliermaterialien gebildet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Silizium hergestellt ist und daß die erste Magnetwiderstandsschicht unter Zwischenfügung einer Isolierschicht auf das Substrat aufgetragen (z.B. aufgedampft) ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Magnet-Widerstandselemente mittels eines Leiterzugmusters so mit Anschlüssen bzw. Klemmen verbunden sind, daß der Widerstandswert der jeweiligen Widerstandselemente getrennt meßbar ist.