DE3931780A1 - Magnetisches feldeffekt-bauelement mit vier in einer brueckenschaltung angeordneten magnetfeldabhaengigen widerstaenden - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das magnetische Feldeffekt-Bauelement wird zur potentialfreien Messung von Gleich- und Wechselströmen in einem Frequenzbe­ reich bis zu etwa 10 MHz eingesetzt. Wegen der vollständigen gal­ vanischen Trennung zwischen Ein- und Ausgangssignal ist das Element besonders als Koppler für Signalübertragungsleistungen von Rechnern und Meßgeräten geeignet. Weiterhin ist der Einsatz als Analogmultiplizierer und als Meßelement für die elektrische Leistung verwendbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Magnetische Feldeffekt-Bauelemente mit vier zu einer Brücken­ schaltung angeordneten magnetfeldabhängigen Widerständen aus mehreren hintereinandergeschalteten einachsig-ferromagnetischen Schichtstreifen sind bekannt. Eine solche Anordnung wird z.B. in der Patentschrift DD 1 55 220 beschrieben. Für die Mehrzahl der Anwendungen ist für das Feldeffekt-Bauelement eine lineare Übertragungsfunktion erforderlich. Da der Arbeitsbereich von aus einachsig-ferromagnetischen Schichten aufgebauten Sensoren, deren Widerstandsänderung im Magnetfeld durch eine Drehung der Mag­ netisierung in den Schichtstreifen bedingt ist, prinzipiell einge­ schränkt ist und nur ein Bruchteil dieses Arbeitsbereiches, der bei den beschriebenen Anordnungen bei etwa einem Drittel liegt, einen genügend linearen Zusammenhang zwischen Eingangsstrom und Ausgangsspannung aufweist, ist diese sehr wichtige Forderung nur sehr unzureichend erfüllt.

In der Patentanmeldung WP G 01R/30 37 890 wird für Magnetfeld­ sensoren, bei denen jedoch im Unterschied zu dem hier behandel­ ten Feldeffekt-Bauelement der Stromleiter für den Eingangsstrom nicht vorhanden ist, bereits eine Möglichkeit der Erweiterung des Linearitätsbereiches der Übertragungskennlinie angegeben, die da­ durch erreicht wird, daß jeder Einzelwiderstand der Brücke einen Bereich mit jeweils gegenläufiger Widerstandsänderung und leich­ terer Drehbarkeit der Magnetisierung enthält. In der Anordnung wird das durch größere Streifenbreite oder kleinere Schichtdicke im sich gegenläufig ändernden Widerstandsbereich gewährleistet. Als Nachteil dieser Anordnung erweist sich jedoch, daß eine gute Linearisierung der Übertragungskennlinie nur für einen ganz be­ stimmten Wert des zum Betrieb des Sensors als analoges Meßele­ ment notwendigen Hilfsmagnetfeldes in Widerstandsstreifenlängs­ richtung möglich ist und daß nur für extreme, schwer realisierbare Verhältnisse der Schichtbreiten oder -dicken der Wert des Hilfsmag­ netfeldes so groß gemacht werden kann, daß er zur Stabilisierung der Magnetisierungsrichtung in den Schichtstreifen und zur Ver­ meidung von Hysterese in der Übertragungskennlinie ausreichend ist.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die Anordnung eines magne­ tischen Feldeffekt-Bauelementes mit vier zu einer Brückenschal­ tung angeordneten magnetfeldabhängigen Widerständen und einem, durch eine spannungsfeste Isolationsschicht potentialfreien, Steuer­ leiter anzugeben, das einen großen Arbeitsbereich mit linearer Übertragungsfunktion aufweist und dabei in solchen Hilfsfeldern in Längsrichtung der magnetfeldabhängigen Widerstände arbeitet, die für den stabilen und hysteresefreien Betrieb des Elements ausrei­ chend sind.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetisches Feld­ effekt-Bauelement mit vier zu einer Brückenschaltung angeordne­ ten magnetfeldabhängigen Widerständen und einem Steuerleiter zu schaffen, dessen Linearität in der Übertragungsfunktion nicht auf den Bereich geringer Aussteuerung beschränkt ist und bei dem die Linearisierung der Übertragungskennlinie nicht zu Einschränkun­ gen des zur stabilen und hysteresefreien Funktion notwendigen Hilfsfeldes oder zur starken Vergrößerung des Flächenbedarfs pro Bauelement und damit zu einer aufwendigeren Herstellung führt. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die ferromagnetischen Schichtstreifen jeden Widerstandes der Brücke erfindungsgemäß einen oder mehrere Bereiche enthalten, deren Widerstandswert sich bei Stromfluß durch den Steuerleiter gegenläufig zu dem der übri­ gen Schichtstreifen desselben Widerstandes ändert und daß der Steuerleiter über diesen Bereichen schmaler als der über den übri­ gen Schichtstreifen angeordnete ist.

Die Bauelementekonstruktion der magnetoresistiven Sensoren ist so ausgeführt, daß ohne Stromfluß durch den Steuerleiter zwischen Strom- und Magnetisierungsrichtung der magnetoresistiven Dünn­ schichtstreifen ein Winkel von 45° besteht. Ein Strom durch den Steuerleiter erzeugt ein Magnetfeld und bewirkt damit eine Verän­ derung dieses Winkels. Bei einem Winkel von 0° ist der Streifenwi­ derstand maximal, bei 90° minimal. Für einen der Brückenwider­ stände wird mit Ausnahme mindestens eines Bereiches bei Strom­ fluß durch den Steuerleiter ein Magnetfeld erzeugt, das den Win­ kel zwischen Strom- und Magnetisierungsrichtung in den magneto­ resistiven Dünnschichtstreifen von 45° aus verkleinert und so zu ei­ ner nichtlinearen Widerstandserhöhung dieses Teiles des Widerstan­ des führt. Im ausgenommenen Bereich wird durch den Stromfluß der Winkel vergrößert und damit nimmt hier der Widerstand ab. Der Bereich wird von so einer Größe gewählt, daß eine Wider­ standsänderung gerade die Nichtlinearität der Widerstandsänderung des Hauptteiles des Widerstandes aufhebt. Dabei ist jedoch im Be­ reich der gegenläufigen Widerstandsänderung eine stärkere Drehung der Magnetisierungsrichtung als im Hauptteil des Widerstandes er­ forderlich. Diese wird dadurch erreicht, daß der Steuerleiter über dem sich gegenläufig ändernden Bereich schmaler ausgebildet ist als über dem Hauptteil der Widerstandsstreifen und so bei gleichem Strom eine höhere Magnetfeldstärke auf den magnetoresistiven Schichtstreifen einwirkt. Da diese stärkere Drehung der Magneti­ sierung durch das von außen auf den magnetoresistiven Schicht­ streifen wirkende Feld und nicht durch diese Schichtstreifen selbst bewirkt wird, ist sie bei allen Hilfsfeldern in Längsrichtung der Schichtstreifen zur Empfindlichkeitseinstellung und Hystereseunter­ drückung gegeben und führt zu keiner Begrenzung für die Stärke des Hilfsfeldes. Die drei weiteren Widerstände der Brücke verhalten sich entsprechend dem beschriebenen und sind in bekannter Weise so verbunden, daß sich das maximal mögliche Brückenausgangssi­ gnal bei jeweils gleichen Widerstandsänderungen aller Widerstände ergibt. Der Ausgangswinkel zwischen Magnetisierungsrichtung und Stromrichtung in den magnetoresistiven Schichtstreifen, der vor­ zugsweise 45° beträgt ist dadurch gegeben, daß die ferromagneti­ schen Schichtstreifen in gleichmäßigen Abständen mit Leitschicht­ streifen versehen sind, deren Längsrichtung mit der der ferromag­ netischen Schichtstreifen einen bestimmten Winkel bildet und wobei in den Bereichen mit gegenläufiger Widerstandsänderung dieser Winkel den gleichen Betrag aber das entgegengesetzte Vorzeichen hat.

Die Linearisierung der Übertragungskennlinie des Bauelementes erfordert keinen zusätzlichen Herstellungsaufwand, da die Bereiche mit gegenläufiger Widerstandsänderung aus gleichem Material be­ stehen wie der Hauptteil der ferromagnetischen Schichtstreifen und von gleicher Breite und Dicke sind. Die sich gegenläufig ändernden Bereiche sind jedoch von den übrigen Bereichen durch eine in demselben Herstellungsprozeß einfach realisierbare Unterbrechung magnetisch von dem Hauptteil der Schichtstreifen getrennt und elektrisch mittels unmagnetischer Leiterstreifen verbunden, damit die erforderliche unterschiedliche Drehung der Magnetisierungs­ richtung nicht behindert wird.

Vorzugsweise wird die Struktur des Feldeffekt-Bauelementes so gestaltet, daß jeder Widerstand aus einer geradzahligen Anzahl von ferromagnetischen Schichtstreifen besteht, die jeweils einen Bereich mit gegenläufiger Widerstandsänderung enthalten und die derart verbunden sind, daß eine mäanderförmige Struktur entsteht. Der Steuerleiter hat ebenfalls eine mäanderförmige Struktur. So wird es möglich, daß sich alle Anschlüsse für die Widerstandsbrücke an der einen Seite der Struktur befinden und die Anschlüsse für den Steuerleiter auf der gegenüberliegenden. So wird eine hohe Durch­ schlagsspannung zwischen dem Eingangskreis, der den Steuerleiter enthält und den Ausgangskreis, der die Widerstandsbrücke enthält, gewährleistet. Gleichzeitig wird durch diese Anordnung erreicht, daß äußere Störfelder kein Ausgangssignal im Ausgangskreis erzeu­ gen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt Fig. 1 die Aufsicht auf ein auf einem Substrat befindlichem magnetisches Feldeffekt-Bauelement in Brückenschaltung mit Steuerleiter 3 und Fig. 2 die Abhängigkeit der Widerstandsänderung vom angelegten Magnetfeld für einen Brückenwiderstand. Die Darstellung in Fig. 1 ist nicht maßstäblich. Insbesondere ist das Verhältnis von Streifen­ breite und Streifenlänge in der Zeichnung wesentlich geringer ge­ wählt als in wirklichen Anordnungen. Im Mittelteil der Zeichnung ist der Steuerleiter 3 weggelassen. Die Isolation zwischen Wider­ standsbrücke und Steuerleiter 3 ist nicht dargestellt worden, um die darunterliegende Struktur sichtbar zu machen. Jeder zwischen zwei Anschlußkontakten 1 der Brücke liegende Widerstand besteht aus zwei elektrisch hintereinander geschalteten ferromagnetischen Schichtstreifen 2. Jeder ferromagnetische Schichtstreifen 2 enthält einen Bereich 4, in dem die Widerstandsänderung durch einen Strom im Steuerleiter gegenläufig zu der im übrigen Teil des Schichtstreifens 2 erfolgt. Wie im mittleren Teil der Darstellung er­ sichtlich, wird das dadurch erreicht, daß die ferromagnetischen Schichtstreifen 2 mit Leitschichtstreifen 5 versehen sind, die mit der Längsrichtung der Schichtstreifen 2 einen Winkel 6 bilden, der im Bereich 4 von gleichem Betrag ist wie im übrigen Teil des Schichtstreifens 2 aber das entgegengesetzte Vorzeichen hat. Die ihren Widerstandswert gegenläufig ändernden Bereiche 4 der ferro­ magnetischen Schichtstreifen 2 sind von den übrigen durch eine Unterbrechung derselben getrennt. Die elektrische Verbindung ist durch unmagnetische Leiterstreifen 7 hergestellt. Schichtmaterial, -breite und -dicke sind bei allen ferromagnetischen Schichtstreifen gleich. Im dargestellten Beispiel hat der Winkel 6 einen Betrag von 45°. Die Leitschichtstreifen 5 sorgen dafür, daß die Stromrichtung in den ferromagnetischen Schichtstreifen 2 gegen die Längsrichtung derselben gedreht ist, im dargestellten Beispiel um 45° bzw. -45°. Der durch den Steuerleiter 3 fließende Strom erzeugt am Ort der ferromagnetischen Schichtstreifen 2 ein Magnetfeld in Streifen­ ebene und senkrecht zur Längsrichtung derselben. Dieses bewirkt eine Drehung der Magnetisierung in den ferromagnetischen Schichtstreifen 2 in Feldrichtung. Die dadurch auftretende Wider­ standsänderung für einen Brückenwiderstand ist in Fig. 2 über dem Strom im Steuerleiter 3 aufgetragen. Im Hauptteil ändert sich der Widerstand entsprechend Kurve 9 mit beträchtlicher Nichtlinearität.

Die Widerstandsänderung des gegenläufigen Bereiches 4 erfolgt ge­ mäß der Kurve 10. Diese erreicht das Maximum ihres Betrages be­ reits bei einem Strom, der wesentlich unter dem Stromwert liegt, bei dem der übrige Teil des ferromagnetischen Schichtstreifens 2 sein Maximum der Widerstandsänderung erreicht. Das wird dadurch bewirkt, daß der Steuerleiter 3 im Bereich 4 des ferromagnetischen Schichtstreifens 2 eine wesentlich geringere Breite besitzt als im übrigen Teil, wodurch das Magnetfeld im genannten Bereich einen um das Verhältnis der Breiten des Steuerleiters 3 höheren Wert hat. Als Gesamtänderung eines Widerstandes der Brücke ergibt sich dann die Kurve 11, die einen weitestgehend linearen Verlauf be­ sitzt. Für die übrigen drei Brückenwiderstände gelten entsprechende Kurven, wobei jeweils zwei bei Stromfluß durch den Steuerleiter 3 zunehmen und zwei abnehmen. Bei linear verlaufenden Brückenwi­ derständen verläuft auch das Brückenausgangssignal in Abhängig­ keit vom Strom durch den Steuerleiter 3 linear. Zur Schaltung als Brücke werden die beiden äußeren Anschlußkontakte 1 der Brücke zusammen mit einem Pol der Betriebsspannung und der mittlere Anschlußkontakte 1 der Brücke mit dem anderen Pol verbunden. Die linear mit dem in die Anschlußkontakte 8 des Steuerleiters 3 eingespeisten Strom zusammenhängende Ausgangsspannung wird an dem zweiten und vierten Anschlußkontakt 1 der Brücke abgenom­ men.

Claims (6)

1. Magnetisches Feldeffekt-Bauelement mit vier zu einer Brücken­ schaltung angeordneten magnetfeldabhängigen Widerständen aus je­ weils einem oder mehreren hintereinandergeschalteten einachsigen ferromagnetischen Schichtstreifen (2) und darüber isoliert angeord­ netem streifenförmigem Steuerleiter (3), dadurch gekennzeichnet, daß zur Erweiterung des linearen Arbeitsbereiches die ferromagne­ tischen Schichtstreifen (2) jeden Widerstandes einen oder mehrere Bereiche (4) enthalten, deren Widerstandswerte sich bei Stromfluß durch den Steuerleiter (3) gegenläufig zu den übrigen Schichtstrei­ fen (2) ändern und daß der Steuerleiter (3) über diesen Bereichen (4) der Schichtstreifen schmaler als der über den übrigen Schicht­ streifen (2) angeordnete ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Schichtstreifen (2) mit Leitschichtstreifen (5) versehen sind, deren Längsrichtung mit der der ferromagnetischen Schichtstreifen (2), einen bestimmten Winkel (6) bildet und in den Bereichen (4) mit gegenläufiger Widerstandsänderung dieser Winkel (6) denselben Betrag aber das entgegengesetzte Vorzeichen hat.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Schichtstreifen (2) in den Bereichen (4) mit gegenläu­ figer Widerstandsänderung mit dem der übrigen Schichtstreifen (2) übereinstimmt.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite und die Dicke der ferromagnetischen Schichtstreifen (2) und der Leitschichtstreifen (5) in den Bereichen (4) mit gegenläufiger Widerstandsänderung mit denen der übrigen Schichtstreifen (2) übereinstimmt.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Widerstand aus einer geradzahligen Anzahl von ferromagnetischen Schichtstreifen (2) besteht, die jeweils einen Bereich mit gegenläu­ figer Widerstandsänderung enthalten, und derart verbunden sind, daß eine mäanderförmige Struktur entsteht und daß der Steuerleiter (3) ebenfalls eine mäanderförmige Struktur hat.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Schichtstreifen (2) zwischen den Bereichen (4) mit gegenläufiger Widerstandsänderung und den übrigen Bereichen unterbrochen und mittels unmagnetischer Leitstreifen (7) verbun­ den sind.