DE3609006A1 - Magnetfeldsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist aus der DE-OS 33 17 594 ein Magnetfeldsensor bekannt, der mehrere Widerstandselemente aus einem magnetisierten, magnetoresistiven Werkstoff aufweist. Diese Widerstandselemente bestehen aus zusammenhängenden, mäanderförmig angeordneten Streifen, wie sie als Widerstandselemente in Dünnschicht-Anordnungen bekannt sind. Im wesentlichen werden bei dem bekannten Magnetfeldsensor Vorschläge für die elektrische und geometrische Anordnung der Widerstandselemente zueinander gemacht. Der bekannte Magnetfeldsensor dient zur Erfassung des Gradienten von Magnetfeldern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magnetfeldsensor zur Erfassung kleiner Feldstärken zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß durch die erfindungsgemäße Anordnung eine starke magnetische Kopplung zwischen den Streifen entsteht, die eine Verringerung der magnetischen Feldstärke der Formanisotropie und somit eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors bewirkt.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 bis 3 dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das erste Ausführungsbeispiel in der Draufsicht,

Fig. 2 das zweite Ausführungsbeispiel in der Draufsicht, und

Fig. 3 das zweite Ausführungsbeispiel im Schnitt AB der Fig. 2.

Das Signal des Magnetfeldsensors besteht in der Änderung des elektrischen Widerstands der magnetisierten, magnetoresistiven Widerstandselemente und ist proportional zu

(H/H _k )² (Gl. 1)
Hist die zu messende magnetische Feldstärke, und H _k ist die Anisotropiefeldstärke und durch H _k = H _i + H _f (Gl. 2)

gegeben.
H _i bezeichnet die induzierte Anisotropiefeldstärke und H _f ist die Feldstärke der Formanisotropie. H _i ist eine materialabhängige Größe, H _f dagegen ist für ein streifenförmiges Widerstandselement durch H _f = (d/b) · M _s (Gl. 3)

gegeben, wobei d die Dicke, b die Streifenbreite und M _s die Sättigungsmagnetisierung ist.

Will man nun einen empfindlicheren Magnetfeldsensor schaffen, kann dies durch die Verkleinerung von H _k geschehen. Das Signal kann somit nach Gleichung 2 und 3 durch die Wahl eines geeigneten Werkstoffes, oder durch geeignete Formgebung des Streifens vergrößert werden.

Dabei bewirken die Vergrößerung der Breite b genauso wie die Verkleinerung der Dicke d eines Meßstreifens eine Vergrößerung des Signals und eine Erhöhung der Empfindlichkeit.

Beim Bestimmen der Parameter für einen empfindlichen Magnetfeldsensor können nun nicht nur physikalische, sondern müssen auch technologische Gesichtspunkte berücksichtigt werden. So ist es z.B. wünschenswert, den Magnetfeldsensor mit einer Betriebsspannung zwischen 3 bis 20 V zu betreiben, dabei sollte der Magnetfeldsensor zur Begrenzung der Stromaufnahme einen elektrischen Widerstand größer als 100 Ohm aufweisen.

Der elektrische Widerstand eines Widerstandselements läßt sich durch eine Verlängerung des Stromweges erhöhen. Bei einer geringeren Breite b zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes führt dies wegen der geringeren Breite zu einer Erhöhung der Formanisotropie (Gl. 3) und somit zu einer Verkleinerung des Meßsignals. Der elektrische Widerstand läßt sich auch durch die Wahl einer kleineren Schichtdicke erhöhen, was ebenfalls zu einer Erhöhung der Formanisotropie (Gl. 3) und somit zu einer Verkleinerung des Meßsignals führt. Ferner nimmt die Koerzitivfeldstärke der Schicht bei kleinerer Schichtdicke zu und führt somit unterhalb einer materialspezifischen Schichtdicke zu einer störenden Hysterese.

Durch geeignete Wahl des Werkstoffes für das Widerstandselement mit z.B. kleiner Sättigungsmagnetisierung M _s oder kleiner Feldstärke der Formanistropie kann das Meßsignal erhöht werden.

Das erfindungsgemäße Widerstandselement besteht aus mäanderförmig angeordneten schmalen Streifen, wobei der Abstand zwischen den Streifen klein ist. Bei dieser Anordnung kann der Vorteil der schmalen Streifenbreite bezüglich eines hohen elektrischen Widerstandes voll ausgenutzt werden, ohne daß der Nachteil, eine Erhöhung der Feldstärke der Formanisotropie, auftritt. Zwischen zwei Streifen entsteht eine magnetische Kopplung, die durch einen kleinen Abstand zwischen den Streifen erhöht wird. Dadurch hängt die Feldstärke der Formanisotropie nicht mehr von der Breite des einzelnen Streifens, sondern von der gesamten Breite aller Streifen einschließlich der Lücken ab, welches zu einer beträchtlichen Verkleinerung der Feldstärke der Formanisotropie und somit zu einer Erhöhung des Meßsignales und der Empfindlichkeit führt. Die Stromflußrichtung in den Streifen und in den Verbindungen zwischen den Streifen ist um 90° verdreht. Die Veränderung des elektrischen Widerstandes aufgrund der Magnetostriktion verhält sich daher in den Verbindungen zwischen den Streifen und in den Streifen entgegengesetzt. Aus diesem Grunde ist die Verbindung zwischen den Streifen großflächig gewählt, was eine Reduzierung deren elektrischen Widerstandes und somit eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors bewirkt.

In Fig. 1 ist das Widerstandselement des ersten Ausführungsbeispiels eines Magnetfeldsensors in der Draufsicht dargestellt. Das Widerstandselement 1 besteht hier aus sechsundzwanzig Streifen 2, die so miteinander verbunden sind, daß sich eine mäanderförmige Struktur ergibt. Die Verbindungsstücke 3 sind großflächig ausgestaltet. An den äußeren Streifen 2 a, 2 b weist das Widerstandselement 1 großflächige Bereiche 4, 5, zur Kontaktierung auf. Die Streifen 2 sind 0,1 mm breit und 10 mm lang. Die Lücken 6 zwischen den Streifen 2 sind 0,06 mm breit. Für die flächenhaften Verbindungsstücke 3 ergibt sich hieraus eine Breite von 0,26 mm, mit einer Länge von 2 mm. Das Widerstandselement 1 weist eine Schichtdicke d=200 nm auf, der Werkstoff besteht aus einer kristallinen Ni₈₁ Fe₁₉-Legierung (Verhältnis ist in Atomprozent angegeben). Das Widerstandselement 1 ist auf ein Substrat (nicht abgebildet) aufgebracht. Die Anzahl der Streifen kann je nach Verwendung anders gewählt werden.

In den Fig. 2 und 3 ist das zweite Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Magnetfeldsensor 10 weist dabei zwei Widerstandslemente 11, 11′ auf, die auf ein Substrat 13 aufgebracht und durch eine Isolierschicht 14 voneinander elektrisch getrennt sind. In Fig. 2 ist der Magnetfeldsensor 10 in der Draufsicht abgebildet, wobei übersichtshalber im mittleren Teil 15 und im rechten Teil 16 das oberste Widerstandselement 11′, sowie im rechten Teil 16 auch noch die Isolierschicht 14 weggelassen sind. Es ist in Fig. 2 nur ein Teil des Magnetfeldsensors dargestellt. Fig. 3 stellt den Schnitt AB aus Fig. 2 dar. Die einzelnen Widerstandselemente 11, 11′ sind prinzipiell wie im ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut. Sie bestehen aus je sechsundzwanzig Streifen 17, 17′, deren Verbindungsstücke (18, 18′) so angeordnet, daß sich jeweils eine mäanderförmige Struktur ergibt. Die Verbindungsstücke 18, 18′ sind gegenüber den schmalen Streifen 17, 17′ flächenhafter ausgebildet. An den äußeren Streifen 17 a, 17 a′ sind großflächige Bereiche 12, 12′ zur Kontaktierung angeordnet. Die Breite der Lücken 20, 20′ zwischen den Streifen 17, 17′ sind so groß, wie die Breite der Streifen selbst. Die Widerstandselemente 11, 11′ sind so angeordnet, daß die Streifen parallel zueinander liegen und daß in der Draufsicht die Streifen 17′des oberen Widerstandselements 11′ die Lücken 20 des unteren Flächenelements 11 überdecken. Daraus ergibt sich, daß die Lücken 20′ des oberen Widerstands 11′ über den Streifen 17 des unteren Widerstandeselements 11 angeordnet sind. Die Schichtdicken d der Widerstandselemente 11, 11′ betragen 200 nm. Die Isolierschicht 14 besteht aus einem elektrisch isolierenden diamagnetischen Werkstoff wie z.B. SiO₂ und weist eine Schichtdicke von 100 nm auf. Diese Schichtdicke kann auch größer gewählt werden. Die Breite der Streifen 17, 17′ und der Lücken 20, 20′ beträgt 0,1 mm. Die flächenhaften Verbindungsstücke 18, 18′ weisen demnach eine Breite von 0,3 mm auf und sind 2 mm lang. Die Streifen 17, 17′ weisen eine Länge von 10 mm auf. Die Länge der Streifen 17 a, 17 a′ ist so bemessen, daß die großflächigen Bereiche 12, 12′ zur Kontaktierung räumlich voneinander getrennt angeordnet sind. Der dem linken Teil 21 des Magnetfeldsensors 10 gegenüberliegende Teil ist in den Fig. 2 und 3 nicht abgebildet, er ist wie der Teil 21 des Magnetfeldsensors 10 ausgebildet. Alternativ können die großflächigen Bereiche der gegenüberliegenden Seite auch elektrisch miteinander verbunden sein, wodurch die beiden Widerstandselemente (11, 11′) in Reihe geschaltet sind. Hierbei bilden die großflächigen Bereiche 12 und 12′ den elektrischen Ein­ und Ausgang.

Anstelle des oberen Widerstandselements 11′ beim zweiten Ausführungsbeispiel können auch nur Streifen ohne die zwischen den Streifen angeordneten flächenhaften Verbindungsstücke angebracht sein. Die Streifen dienen hierbei nur zur magnetischen Kopplung, die Messung erfolgt über das untere Widerstandselement. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß eventuell auftretende Kurzschlüsse (Pinholes) in der Isolierschicht nur dann störend wirken, wenn pro Streifen mehr als ein Kurzschluß auftritt. Dies ermöglicht, daß die Isolierschicht dünner ausgestaltet werden kann, was eine bessere magnetische Kopplung zwischen den Streifen bewirkt.

Die Magnetfeldsensoren der Ausführungsbeispiele 1 und 2 sind insbesondere zur Erfassung kleiner Magnetfelder in der Größenordnung des magnetischen Erdfeldes (H=40 A/m) geeignet. Hierzu darf die Formanisotropie H _f höchstens 100 A/m betragen. Für die Widerstandselemente eignen sich Werkstoffe mit geringer Sättigungsmagnetisierung, kleiner Koerzitivfeldstärke, kleiner Magnetostriktion und großer Magnetoresistenz. Besonders geeignet ist eine Nickel-Eisenlegierung mit 81 Atomprozent Nickel und 19 Atomprozent Eisen. Diese Legierung weist keine Magnetostriktion und bei den anderen Größen auch günstige Werte auf. Es können auch andere Werkstoffe wie Kobalt-Eisenlegierungen mit etwa 90 Atomprozent Kobalt, Eisen-Silizium-Legierungen mit etwa 6 Gewichtsprozent Silizium, anderen Nickel-Eisen-Legierungen oder auch amorphe Metallegierungen verwendet werden.

Der Magnetfeldsensor 10 wird hergestellt, indem die Widerstandsschichten 11, 11′ und die Isolierschicht 14 mittels Dünnschichttechnik in Gegenwart eines Magnetfeldes aufgebracht werden. Das Magnetfeld liegt beim Aufbringen einer Nickel-Eisen-Legierung parallel zu den Streifen 17, 17′. Die Strukturierung der Widerstandsschichten kann prinzipiell mit nur einer Lithographiemaske durchgeführt werden. Die Lithographiemaske muß dann zur Strukturierung der oberen Widerstandsschicht 11′, gegenüber der Strukturierung der unteren Widerstandsschicht 11 nur um 180° in der Ebene gedreht und um die Streifenbreite b verschoben werden. Zur Reduzierung der Anisotropiefeldstärke werden die Sensoren in einen Temperofen gebracht, der ein magnetisches Feld rechtwinklig zur Längsachse der Streifen aufweist.

In der Anwendung wird der Magnetfeldsensor so ausgerichtet, daß das zu messende Magnetfeld parallel zur Oberfläche der Widerstandselemente 1, 11, 11′ und im rechten Winkel zur Längsachse der Streifen 2, 17, 17′ liegt. Die Magnetisierung in den Widerstandselementen 1, 11, 11′ ist parallel zur Längsachse der Streifen 2, 17, 17′ eingeprägt. Ein äußeres Magnetfeld dreht die Magnetisierung der Widerstandselemente je nach Größe des äußeren Magnetfeldes und verursacht aufgrund der magnetoresistiven Eigenschaft eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit der Widerstandselemente.

Wie in der Beschreibung schon einleitend ausgeführt ist, wird die Formanisotropie der Widerstandselemente 2, 17, 17′ kleiner, wenn die Streifen mäanderförmig angeordnet sind, was auf die magnetische Kopplung zwischen den Streifen 2, 17, 17′ zurückzuführen ist.

Je größer diese Kopplung nun ist, desto kleiner wird die Formanisotropie und desto empfindlicher wird der Magnetfeldsensor. Im ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 1) erfolgt die Kopplung über die schmalen Lücken zwischen den Streifen. Im zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 2 und Fig. 3) wird die magnetische Kopplung zwischen den Streifen erreicht, indem zwei Widerstandselemente 11, 11′ derart übereinander angeordnet sind, daß die benachbarten Streifen mit geringstem Abstand des einen Widerstandselements (11, 11′) zwei Streifen des anderen Widerstandselements (11′, 11) sind. Die magnetische Kopplung erfolgt somit durch die Kopplung zwischen den Streifen der beiden übereinanderliegenden Widerstandselemente.

Claims (5)

1. Magnetfeldsensor, insbesondere zum Messen kleiner Magnetfelder, mit wenigstens einem aus einem magnetisierten magnetoresistiven Werkstoff bestehenden Widerstandselement, das aus parallel angeordneten mäanderförmig verknüpften Streifen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß er ein unteres Widerstandselement (11) und ein oberes Widerstandselement (11′) mit Streifen (17, 17′) je gleicher Breite und je gleichen Abstands zwischen zwei benachbarten Streifen (17, 17′) aufweist, daß die Lücken (20, 20′) zwischen den Streifen etwa so groß wie die Breite der Streifen (17, 17′) sind, daß die zwei Widerstandselemente (11, 11′) durch eine elektrische Isolierschicht (14) getrennt angeordnet sind, und daß in der Draufsicht die Lücken (20) des unteren Widerstandselements (11) von den Streifen (17′) des oberen Widerstandselements (17′) bedeckt sind.

2. Magnetfeldsensor, insbesondere zum Messen kleiner Magnetfelder, mit wenigstens einem aus einem magnetisierten magnetoresistiven Werkstoff bestehenden Widerstandselement, das aus parallel angeordneten mäanderförmig verknüpften Streifen besteht, dadurch gekennzeichet, daß er ein Widerstandselement mit Streifen gleicher Breite und gleichen Abstands zwischen den Streifen aufweist, daß auf dem Widerstandselement eine elektrische Isolatorschicht angeordnet ist, auf der sich, in der Draufsicht betrachtet, die Lücken des Widerstandselements bedeckende Streifen befinden.

3. Magnetfeldsensor nach einem der Anspüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetostriktion des magnetisierten magnetoresistiven Werkstoffs idealerweise gleich Null ist.

4. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisierte magnetoresistive Werkstoff eine Nickel-Eisenlegierung mit der Zusammensetzung Ni_x Fe_y ist, wobei 79 kleiner als x kleiner als 83 und 17 kleiner als y kleiner als 21 (x, y in Atomprozent) ist.

5. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der minimale elektrische Widerstand jedes Widerstandselements größer als 100 Ohm ist.