DE3514457A1 - Anordnung zur betrags- und richtungsmaessigen messung von magnetfeldern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Magnetfeldern nach Betrag und Richtung unter Verwendung von vier zu einer Wheatstone-Bruecke verbundenen magnetoresistiven Streifenleitern. Ihr besonderer Vorteil ist die nahezu vollstaendige Entkopplung des Meszsignals von thermischen, induktiven und kapazitiven Stoereinfluessen, wobei eine fuer viele Anwendungszwecke gewuenschte Miniaturisierungsfaehigkeit gewaehrleistet ist. Die Anordnung kann daher zur Messung sowohl raeumlich ausgedehnter, als auch eng lokalisierter Gleich- und Wechselfelder eingesetzt werden. Unter Verwendung von ferromagnetischen duennen Schichten mit hoher Widerstandsanisotropie als aktives Streifenleitermaterial ist die Anordnung in einem Temperaturbereich 0 K bis etwa 400 K und in einem Frequenzbereich von 0 Hz bis etwa 100 MHz einsatzfaehig. Die erforderliche Betriebsspannung liegt im Bereich von 0 bis 10 V, es kann auch mit einer nieder- oder hochfrequenten Wechselspannungsversorgung vergleichbaren Pegels gearbeitet werden. Dabei liefert die Schaltungsanordnung je nach Dimensionierung und Aussteuerung Signalamplituden bis etwa ± 100 mV.

Der dynamische Meszbereich kann entsprechend der Meszaufgabe durch Dimensionierung und aeuszere Beschaltung gewaehlt werden, wobei magnetische Gleich- und Wechselfelder im Bereich um etwa 10^-11 T bis etwa 1 T gemessen werden koennen. Die Schaltungsanordnung ist unter Einbehaltung der genannten Grenzwerte miniaturisierbar und integrationsfaehig und kann z. B. auf einem Chip der Groesze 1 mm² plaziert werden. Es ergeben sich daher vielfaeltige Einsatzmoeglichkeiten, von denen nur einige Beispiele angegeben werden:

Mit geringem Aufwand koennen ausgedehnte und eng lokalisierte schwache magnetische Felder, wie z. B. Streufelder in Abschirmungen und in der Naehe ferromagnetischer Koerper mit einer sondenfoermigen Anordnung gemessen oder eine Positionskontrolle magnetfeldbehafteter Koerper vorgenommen werden. Auch ist der Einsatz zu Sonderanwendungen, wie z. B. der Messung von Magnetfeldern stromfuehrender Leiter denkbar, wobei die Schaltungsanordnung als ueber das Magnetfeld gekoppelter Strom-Spannungs- Wandler wirkt. Eine Verstaerkung und Konzentration zu messender Magnetfelder ist fuer viele Anwendungszwecke durch Ankopplung ferromagnetischer Fluszleiter moeglich.

Bekannt ist ein Meszfuehler zum Messen eines aeuszeren Magnetfeldes auf der Grundlage des magnetoresistiven Effektes in duennen ferromagnetischen Schichten (DE-OS 29 11 733). Vorzugsweise zwei aus magnetoresistiven Streifenleitern zusammengesetzte Magnetwiderstaende bilden einen Teil einer Wheatstone- Bruekkenschaltung. Diese Anordnung besitzt folgende Nachteile:

Da die Hauptstromleitpfade benachbarter Brueckenelemente vorzugsweise im Winkel 90° angeordnet sind, ist eine optimale Entkopplung thermischer, induktiver und kapazitiver Stoereinfluesse nicht moeglich.

Zur Erzielung der entgegengesetzten Widerstandsaenderung benachbarter Brueckenelemente sind unterschiedliche Vormagnetisierungsfelder noetig. Der Meszfuehler benoetigt Magnete zur Erzeugung des Vormagnetisierungsfeldes, beansprucht ein groszes Volumen und ist daher nicht als komplette, miniaturisierte Duennenschichtanordnung rationell fertigbar.

Bekannt ist weiterhin ein Magnetometer aus einer uniaxialen magnetoresistiven Schicht, welche kein Vormagnetisierungsfeld benoetigt (DD 01 38 107). Bei diesem koennen vier magnetoresistive Streifenleiter zu einer Wheatstone- Bruecke zusammengesetzt werden. Diese Anordnung besitzt folgende Nachteile:

Da die Hauptstrompfade im Winkel 90° angeordnet sind, ist ebenso eine optimale Entkopplung thermischer, induktiver und kapazitiver Stoereinfluesse nicht moeglich.

Da zur Erzielung der entgegengesetzten Widerstandsaenderung benachbarter Elemente die Vorzugsmagnetisierungsrichtung schraeg zur Laengsachse der magnetoresistiven Streifen liegt, ist die Anordnung magnetisch instabil, wenn das zu messende Feld einen gewissen Pegel ueberschreitet.

Die Anordnung kann nicht miniaturisiert werden, da eine Verringerung der Streifenbreite eine Erhoehung der entmagnetisierenden Felder quer zu den Streifenleitern zur Folge hat. Eine zur Stromrichtung nahezu parallele Anfangslage des Magnetisierungsvektors ist die Folge und die Magnetfeldempfindlichkeit der Anordnung ist stark reduziert.

Mit der Erfindung wird das Ziel verfolgt, eine Anordnung zur Messung magnetischer Gleich- und Wechselfelder nach Betrag und Richtung auf der Grundlage des magnetoresistiven Effektes zu schaffen, bei der das Meszsignal nicht von thermischen, induktiven und kapazitiven Stoerungen beaufschlagt wird und die eingesetzt werden kann, ohne dasz Mittel zur Erzeugung vormagnetisierender Felder benoetigt werden. Die Schaltungsanordnung soll miniaturisierbar sein, sodasz sie in Duennschichttechnik rationell gefertigt werden kann und integrationsfaehig ist. Auszerdem soll die Anordnung eine hohe Magnetfeldempfindlichkeit, eine lineare Charakteristik und eine Richtungsempfindlichkeit bezueglich des zu messenden magnetischen Feldes besitzen, magnetisch stabil arbeiten und stoerunanfaellig gegenueber der Wirkung von Umwelteinfluessen sein.

Die Ursache der Abhaengigkeit des Ergebnissignals von thermischen, induktiven und kapazitiven Stoerungen sind Unsymmetrien bezueglich der Brueckenelemente und Zuleitungen, nicht antiparallele Hauptstrompfade benachbarter Brueckenelemente bzw. deren groszen raeumlichen Abstand. Zur Erzeugung der entgegengesetzten Polaritaet der Widerstandsaenderung werden 1. a. zusaetzliche Mittel zur Erzeugung vormagnetisierter Felder benoetigt, was den Aufbau von miniaturisierten Meszfuehlern erschwert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine bis zu sehr hohen Frequenzen zur Messung magnetischer Gleich- und Wechselfelder nach Betrag und Richtung verwendbare, integrationsfaehige Anordnung magnetoresistiver Streifenleiter zu schaffen, die infolge voelliger Symmetrie thermische, induktive und kapazitive Stoerungen kompensiert, keine Mittel zur Erzeugung vormagnetisierender Felder benoetigt, eine hohe magnetische Stabilitaet aufweist und miniaturisierbar ist.

Erfindungsgemaesz wird diese Aufgabe dadurch geloest, dasz zur thermischen, induktiven und kapazitiven Entkopplung die die Brueckenzweige darstellenden Streifenleiter gleicher Abmessung sich auf einem ebenen, elektrisch isolierenden, gut waermeleitfaehigen Substrat parallel zueinander mit entgegengesetzter Hauptstromfluszrichtung in jeweils gleichem, moeglichst geringem Abstand befinden, die Brueckenzweige in symmetrischer Weise verbunden sind, Mittel zur Linearisierung des magnetoresistiven Effektes vorgesehen und die Polaritaet der Widerstandsaenderung jeweils benachbarter Brueckenelemente im zu messenden Feld entgegengesetzt ist.

Es ist vorteilhaft, wenn die Anordnung eine miniaturisierte Duennschichtanordnung darstellt, wobei zur Ermoeglichung eines Null-Abgleichs die Brueckenzweige nur einseitig verbunden sind.

Fuer die Erzielung einer hohen Magnetfeldempfindlichkeit ist es vorteilhaft, wenn die Streifenleiter vorzugsweise aus einer oder mehreren duennen uniaxialen oder unidirektionalen ferromagnetischen Schichten bestehen, wobei die Vorzugsmagnetisierungsachsen bzw. -richtungen um einen zwischen 0° und 90° liegenden Winkel, insbesondere 45° gegen die Richtung des Stromflusses in der ferromagnetischen Schicht geneigt sind.

Um den magnetoresistiven Effekt in der Anordnung zu linearisieren, wird dafuer gesorgt, dasz die Vorzugsmagnetisierungsachsen bzw. -richtungen parallel zur Laengsachse der Streifenleiter liegen und die Streifenleiter zur Realisierung des Neigungswinkels zwischen Stromfluszrichtung und Vorzugsmagnetisierungsachse bzw. -richtung mit einer Mehrzahl paralleler zur Laengsachse der Streifenleiter unter einen zwischen 30° und 60°, insbesondere 45° liegenden Winkel verlaufenden Aequipotentialflaechen elektrisch gut leitfaehigen Materials vorgesehen sind. Fuer schwache Felder gelingt eine voellige Linearisierung der Brueckencharakteristik dadurch, dasz zur Erzielung einer entgegengesetzten Polaritaet der Widerstandsaenderung die Aequipotentialflaechen benachbarter Brueckenelemente derartig orientiert sind, dasz die Summe der zugehoerigen Phasenwinkel gegen die Laengsachse der Streifenleiter 180° betraegt.

Durch das Eigenfeld der Aequipotentialflaechen wird die magnetische Stabilitaet erhoeht, wenn es parallel zur Magnetisierung wirkt. Die Anbringung einer oder mehrerer Schichten aus antiferromagnetischem Material ober- oder unterhalb des Meszstreifens und Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Hilfsfeldes parallel zur Laengsachse der Streifenleiter gewaehrleisten eine hoehere Stabilitaet und eine Erweiterung des Meszbereiches. Die Wahl des Materials der ferromagnetischen Schichten garantiert ein hohes Signal und eine hohe Empfindlichkeit, selbst in schwachen Feldern. Eine hoehere Zuverlaessigkeit wird erreicht, wenn die Oxydation magnetischer Schichten verhindert wird. Vorteilhaft ist auch die Verringerung des Temperaturkoeffizienten der Anordnung durch die Verringerung des Temperaturkoeffizienten der Einzelelemente.

Wird der Anordnung ein bandfoermiger Steuerleiter zugeordnet, welcher die Brueckenelemente symmetrisch ueberdeckt, kann die Messung des in diesem flieszenden Stromes erfolgen. Vorteilhaft ist insbesondere die Variante, bei der Magnetwiderstaende und Steuerleiter in einer Festkoerperschaltung integriert sind und die Anordnung als Strom-Spannungs-Wandler arbeitet.

Zusammenfassend ist festzustellen, dasz die erfindungsgemaesze Anordnung durch folgende Vorteile ausgezeichnet ist. Sie besitzt eine hohe Magnetempfindlichkeit und eine hohe magnetische Stabilitaet. Die Aequipotentialflaechen definieren eindeutig den Neigungswinkel ohne zusaetzliche Mittel zur Vormagnetisierung notwendig zu machen. Das gilt auch fuer die entgegengesetzte Polaritaet benachbarter Brueckenzweige, die eine voellige Linearisierung der Brueckencharakteristik gewaehrleistet. Das Eigenfeld der Aequipotentialflaechen erhoeht die magnetische Stabilitaet, wenn es parallel zur Magnetisierungsrichtung liegt. Durch die erreichbare Hysteresisfreiheit werden Uebersteuerungseffekte in magnetischen Feldern vermieden.

Selbst in schwachen Feldern ist ein hohes Signal garantiert. Die Einzelelemente weisen einen geringen Temperaturkoeffizienten auf.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausfuehrungsbeispieles naeher erlaeutert werden. In den zugehoerigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zur Messung von Magnetfeldern mit vier streifenfoermigen Magnetwiderstaenden, auf die eine Mehrzahl von Aequipotentialflaechen mit entsprechender Orientierung aufgebracht und zu einer offenen Wheatstone Bruecke verbunden sind.

Fig. 2 den Stromlaufplan der Anordnung nach Fig. 1

Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem der Brueckenelemente und

In Fig. 1 ist eine gemaesz der Erfindung gestaltete Anordnung zur Messung magnetischer Gleich- und Wechselfelder nach Betrag und Richtung dargestellt. Auf einem Substrat 1 hoher Waermeleitfaehigkeit (z. B. aus oxydiertem oder undotiertem Silizium-Einkristall, Saphir-Einkristall oder Beryllium-Keramik) befinden sich vier streifenfoermige Magnetwiderstaende 2 - 5. Die Magnetwiderstaende bestehen aus einer 30 nm dicken NiFeCo- Permalloy-Schicht. Die Vorzugsmagnetisierungsachse V.A. der NiFeCo- Schicht liegt parallel zur Laengsrichtung der Magnetwiderstaende und bildet mit der Stromrichtung I in der ferromagnetischen Schicht einen Winkel von 45°. Der Neigungswinkel der Stromrichtung wird durch schraege, elektrisch gut leitende schmale Metallstreifen 6 aus Gold, die in Verbindung mit der NiFeCo-Schicht stehen, bewirkt. Die vier streifenfoermigen Magnetwiderstaende sind zu einer einseitig offenen Wheatstone- Bruecke zusammengeschaltet, die mit dem Strom I betrieben wird. Ein aeuszeres Magnetfeld H _ext in der Ebene der Streifenleiter bewirkt ein Drehmoment auf die zunaechst parallel zur Vorzugsachse V.A. befindliche Magnetisierung der Magnetwiderstaende. Dieses Drehmoment ist maximal, wenn H _ext senkrecht zu den Meszstreifen liegt, und es ergibt sich eine Richtungsempfindlichkeit bezueglich des aeuszeren Feldes. Infolge der wechselseitigen Orientierung der Aequipotentialflaechen benachbarter Brueckenelemente ergeben sich infolge des magnetoresistiven Effektes wechselseitig positive und negative Widerstandsaenderungen benachbarter Magnetwiderstaende und damit eine Verstimmung der im Zustand H _ext = 0 abgeglichenen Bruecke. Das Differenzsignal U infolge der Brueckenverstimmung stellt das Ausgangssignal der Anordnung dar und ist proportional zum aeuszeren Feld H _ext und zum Strom I, der durch die Bruecke flieszt. Entsprechende elektrische Kontaktflaechen sind zum Abgriff der Ausgangspannung U 7, 6 und zur Zufuehrung des Betriebsstromes I der Bruecke 9-11 vorgesehen.

In Fig. 2 ist der aequivalente Stromlaufplan der erfindungsgemaeszen Anordnung entsprechend Fig. 1 dargestellt. Der Nullabgleich der miniaturisierten Duennschichtanordnung erfolgt mit einem externen Potentiometer 12.

In Fig. 3 ist ein Abschnitt eines Brueckenelementes mit entsprechenden Aequipotentialflaechen 6 dargestellt. Die unter einem Winkel = 45° aufgebrachten Aequipotentialflaechen erfuellen zwei Funktionen:

Erstens wird der Stromflusz I′ in den magnetoresistiv wirkenden Abschnitten des Streifenleiters um einen Winkel = 45° gegen die Hauptstromfluszrichtung I parallel zur Laengsachse des Streifens geneigt. Dies fuehrt zu einer linearen Abhaengigkeit der Widerstandsaenderung des Streifens vom aeuszeren Feld H _ext, das senkrecht zum Streifen angelegt ist. Zweitens erzeugt der Strom I″ durch die Aequipotentialflaechen ein zusaetzliches magnetisches Feld in der Ebene der ferromagnetischen Schicht. Infolge der Wirkung der Parallelkomponente H″ dieses Feldes wird eine Richtung der Magnetisierung parallel zur Vorzugsachse energetisch beguenstigt. In Abhaengigkeit von der Staerke des Betriebsstromes I ergibt sich ein besonderer stabiler Zustand, wenn die Ausgangslage der Magnetisierung parallel zu dieser im Sinne einer unidirektionalen Anisotropie resultierenden Vorzugsrichtung V.R. liegt. Dieser Zustand stellt sich automatisch ein, wenn der Betriebsstrom I einen gewissen Pegel ueberschreitet. Die erhoehte magnetische Stabilitaet zeigt sich in einer wesentlich verringerten Neigung zu einer Hysteresis im Ausgangssignal U. Zusaetzliche, nicht vom Betriebsstrom I der Bruecke abhaengige magnetisch stabilisierende Mittel koennen vorgesehen werden. So befindet sich in Fig. 3 unterhalb der ferromagnetischen Schicht ein Antiferromagnetikum 13, bestehend aus einer FeMn- Legierung. Infolge der Wirkung von Austauschkraeften zur ferromagnetischen Schicht resultiert eine unidirektionale Anisotropie, welche ebenso zu einer energetischen Bevorzugung einer Magnetisierungsrichtung fuehrt, zweckmaeszig parallel zur Laengsachse der Streifenleiter. Eine solche unidirektionale Anisotropie, deren Staerke entsprechend der Wahl des antiferromagnetischen Materials erheblich sein kann, fuehrt zu einer Erweiterung des linearen dynamischen Meszbereiches der Anordnung zu hoeheren Feldern.

Claims (14)

1. Anordnung zur Messung von Magnetfeldern nach Betrag und Richtung unter Verwendung von vier zu einer Wheatstone- Bruecke verbundenen magnetoresistiven Streifenleitern, dadurch gekennzeichnet, dasz zur thermischen, induktiven und kapazitiven Entkopplung die Brueckenzweige darstellenden Streifenleiter gleicher Abmessung sich auf einem ebenen, elektrisch isolierenden, gut waermeleitfaehigen Substrat parallel zueinander mit entgegengesetzter Hauptstromfluszrichtung in jeweils gleichem, moeglichst geringem Abstand befinden, die Brueckenzweige in symmetrischer Weise verbunden sind, Mittel zur Linearisierung des magnetoresistiven Effektes vorgesehen und die Polaritaet der Widerstandsaenderung jeweils benachbarter Brueckenelemente im zu messenden Feld entgegengesetzt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dasz diese eine miniaturisierte Duennschichtanordnung darstellt, wobei zur Ermoeglichung eines Null-Abgleichs die Brueckenzweige nur einseitig verbunden sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dasz zur Erzielung einer hohen Magnetempfindlichkeit die Streifenleiter vorzugsweise aus einer oder mehreren duennen uniaxialen oder unidirektionalen ferromagnetischen Schichten bestehen, wobei die Vorzugsmagnetisierungsachsen bzw. -richtungen um einen zwischen 0° und 90° liegenden Winkel, insbesondere 45° gegen die Richtung des Stromflusses in der ferromagnetischen Schicht geneigt sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dasz zur Linearisierung des magnetoresistiven Effektes die Vorzugsmagnetisierungsachsen bzw. -richtungen parallel zur Laengsachse der Streifenleiter liegen und die Streifenleiter zur Realisierung des Neigungswinkels zwischen Stromfluszrichtung und Vorzugsmagnetisierungsachse bzw. -richtung mit einer Mehrzahl paralleler, zur Laengsachse der Streifenleiter unter einen zwischen 30° und 60°, insbesondere 45° liegenden Winkel verlaufenden Aequipotentialflaechen elektrisch gut leitfaehigen Materials vorgesehen sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dasz zur Erzielung einer entgegengesetzten Polaritaet der Widerstandsaenderung die Aequipotentialflaechen benachbarter Brueckenelemente derartig orientiert sind, dasz die Summe der zugehoerigen Phasenwinkel gegen die Laengsachse der Streifenleiter 180° betraegt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dasz zur Erhoehung der magnetischen Stabilitaet im Sinne einer unidirektionalen Anisotropie die Polaritaet der Ausgangmagnetisierungsrichtung identisch mit der laengs zum Streifenleiter wirkenden Komponente des Eigenfeldes der Aequipotentialflaechen in der Schichtebene ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, da dasz zur Erhoehung der magnetischen Stabilitaet und Erweiterung des linearen dynamischen Meszbereiches eine oder mehrere Schichten aus antiferromagnetischem Material unterhalb oder oberhalb der Meszstreifen aufgebracht sind.

8. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dasz zur Erhoehung der magnetischen Stabilitaet und Erweiterung des linearen dynamischen Meszbereiches Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Hilfsfeldes parallel zur Laengsachse der Streifenleiter vorgesehen sind.

9. Anordnung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dasz Mittel zur Erzeugung eines Hilfsfeldes in der Schichtebene senkrecht zur Laengsachse der Meszstreifen zur Kompensation der auf die Meszstreifen wirkenden Felder vorgesehen sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dasz die ferromagnetischen Schichten vorzugsweise aus Materialien mit hoher Widerstandsanisotropie, insbesondere polykristallinen NiFe, NiCo und NiFeCo-Legierungen mit niedrigen Kristall- und Magnetostriktionsenergien bestehen.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dasz die ferromagnetischen Schichten mit einer Oxydationsschutzschicht belegt sind.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dasz zur Verringerung der Temperaturempfindlichkeit die magnetoresistiven Schichten eine elektrisch leitende Nebenschluszschicht mit negativen Temperaturkoeffizienten enthalten.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dasz isoliert von den Magnetwiderstaenden parallel zu deren Laengsachse ein bandfoermiger Steuerleiter, der die Brueckenelemente symmetrisch ueberdeckt und ein magnetisches Feld in der Schichtebene senkrecht zur Laengsachse der Magnetwiderstaende erzeugt, vorgesehen ist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dasz Magnetwiderstaende und Steuerleiter in einer Festkoerperschaltung integriert sind.