DE4121374A1 - Kompensierter magnetfeldsensor - Google Patents
Kompensierter magnetfeldsensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen kompensierten Magnetfeld
sensor, bestehend aus parallelen magnetoresistiven,
ferromagnetischen Dünnschichtstreifen, die in einer
Ebene angeordnet sind, und aus einem von diesen iso
lierten elektrischen Leiter, durch den ein vom Sensor
ausgangssignal gesteuerter Kompensationsstrom fließt,
dessen Magnetfeld das zu messende Magnetfeld am Ort der
Dünnschichtstreifen aufhebt.
Magnetfeldsensoren dieser Art sind seit langem bekannt.
So wird z. B. in der DE-Offenlegungsschrift 31 33 908
eine Anordnung beschrieben, in der das magnetoresistive
Meßelement eine aus einer Strom- oder Spannungsquelle
gespeiste Brücke aus vier ferromagnetischen magnetore
sistiven Dünnschichtstreifen ist. Diese befinden sich
über einem ebenfalls in Dünnschichttechnik ausgebilde
ten Stromleiter, dessen Gesamtbreite mindestens so groß
wie die der Brückenanordnung ist. Das Ausgangssignal
der Meßelement-Brücke steuert den Strom durch diesen
Leiter so, daß am Ort des Meßelementes das zu messende
Magnetfeld aufgehoben wird. Nachteilig bei dieser An
ordnung ist es, daß die Gegenläufigkeit der Wider
standsänderung der jeweils einen Brückenzweig bildenden
Dünnfilmstreifen nur bei unvertretbar hohen Strömen
durch den Stromleiter oder durch dünnschichttechnisch
aufwendig und kompliziert herzustellende Dauermagnete
mit für jeden Brückenzweig anderer Magnetisierungsrich
tung möglich ist. Weiterhin ist die Erzeugung des Ge
genfeldes zur Kompensation des zu messenden Magnet
feldes mit einem die ganze Bandelementebreite einneh
menden Stromleiter sehr uneffektiv, da das äußere Ma
gnetfeld in einem Volumen aufgehoben wird, das durch
die Breite des Stromleiters bestimmt ist und damit
wesentlich über den Bereich der magnetoresistiven Dünn
schichtstreifen hinausgeht, wodurch übrigens auch eine
relativ hohe Induktivität bedingt ist. Der Hauptnach
teil des die ganze Bauelementebreite einnehmenden
Stromleiters bleibt jedoch, daß die Kompensation des
jeweiligen äußeren Feldes einen unverhältnismäßig hohen
Strom erfordert. Damit wird auch die maximal zu kompen
sierende Magnetfeldstärke auf einen Wert begrenzt, der
wesentlich unter 1 kA/m liegen dürfte, und der Anwen
dungsbereich des Sensors ist bedeutend eingeschränkt.
Der hohe Stromverbrauch des Kompensationsleiters tritt
bei einem relativ geringen Widerstand auf. Bei übli
cherweise verwendeten Pegeln für die den Kompensations
strom steuernden Spannungen ist deshalb der Einsatz von
Vorwiderständen nötig, die zu unnötigem Energiever
brauch führen.
Die Anordnung eines kompensierten Magnetfeldsensors mit
einer Brücke aus magnetoresistiven Schichtstreifen wird
auch in der DD-Patentschrift 2 56 628 unter Anspruch 13
angegeben. Diese Anordnung vermeidet durch Anwendung
von unter einem Winkel auf den magnetoresistiven Dünn
schichtstreifen angebrachten Leitschichtstreifen, den
sogenannten Barberpolen, daß die unvermeidbare Gegen
läufigkeit der Änderung der Widerstände in einem
Brückenzweig zu einem hohen Aufwand führt. Alle Nach
teile, die auf den breiten Stromleiter für die Kompen
sation zurückführbar sind, sind aber auch hier uneinge
schränkt wirksam.
Kompensationsanordnungen für magnetoresistive Sensoren,
die wesentlich weniger Strom zur Aufhebung des äußeren
Feldes benötigen, sind natürlich auch durch Verwendung
gewickelter Spulen realisierbar. Diese haben neben den
hohen Herstellungskosten und der Nichtintegrierbarkeit
in das Dünnschichtelement aber noch den Nachteil, daß
für ein bestimmtes Verhältnis zwischen Strom und kom
pensiertem Magnetfeld auch ein nicht unerheblicher Ju
stieraufwand notwendig ist. Das gilt wegen der Toleran
zen in den Eigenschaften weichmagnetischer Materialien
in verstärktem Maße bei Anordnungen, die außer der ge
wickelten Spule auch noch einen Kern benutzen, wie das
z. B. in der Technischen Information 8 61 105 von VALVO,
S. 15, zur Kompensation des Magnetfeldes eines zu mes
senden Stromes vorgeschlagen wird.
Neben den beschriebenen magnetoresistiven Magnetfeld
sensoren mit Kompensationsleiter sind auch noch magne
toresistive Brückenanordnungen bekannt, bei denen ein
Strom durch einen integrierten Steuerleiter zu einem
Brückenausgangssignal führt. Hier sind die DD-Patent
schrift 1 55 220 und die DE-Offenlegungsschrift 39 31 780
zu nennen. Ihr Einsatz zur Bestimmung eines Magnet
feldes mit der Kompensationsmethode ist nicht möglich,
da in beiden Fällen eine Unempfindlichkeit der Sensor
brücke gegenüber von außen angelegten Magnetfeldern
vorhanden ist und die durch den Steuerleiter erzeugte
Magnetfeldrichtung im Element nicht einheitlich, son
dern von Leiterstreifen zu Leiterstreifen entgegenge
setzt ist.
Diese Stromsensoren mit magnetoresistiver Meßbrücke ha
ben so auch alle Nachteile, die sich aus der starken
Temperaturabhängigkeit, dem geringen Linearitätsbereich
und der großen Parameterschwankung üblicher magnetore
sistiver Sensoren ergeben.
Die Aufgabe der Erfindung ist es folglich, einen inte
grierten kompensierten Magnetfeldsensor auf der Basis
einer Sensorbrücke aus parallelen ferromagnetischen ma
gnetoresistiven Dünnschichtstreifen mit Barberpolen zu
schaffen, bei dem das zu messende Magnetfeld vor allem
in der nächsten Umgebung der magnetoresistiven Dünn
schichtstreifen aufgehoben wird, bei dem die Induktivi
tät des Kompensationsstromleiters gering ist und so
Zeitverzögerungen durch ihn nicht bewirkt werden, der
einen wesentlich vergrößerten Meßbereich gegenüber den
bekannten Dünnschichtanordnungen aufweist und im Feld
stärkenbereich bis zu mehreren kA/m arbeitet und bei
dem Justierungen und Eichungen zum Feststellen des Ver
hältnisses des Kompensationsstromes zum Magnetfeld
nicht erforderlich sind.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten
Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, daß es nun gelingt, Kompensationsstromleiter
einzusetzen, deren Breite etwa der eines magnetore
sistiven Dünnschichtstreifens entspricht, wird ein
großer Kompensationsbereich gesichert, da das Magnet
feld eines Stromes in einem Dünnschichtleiter nahe sei
ner Oberfläche umgekehrt proportional zu seiner Breite
ist. Da sich der Kompensationsstromleiter in der Art
eines Mäanders aufbaut, heben sich außerhalb der Struk
tur die Magnetfelder jeweils entgegengesetzt vom Strom
durchflossener nahe beieinanderliegender Leiterteile
gegenseitig auf, so daß das äußere Magnetfeld nur am
Ort der magnetoresistiven Streifen und der umgebenden
Isolation kompensiert wird. Damit ist eine geringe In
duktivität des Kompensationsstromleiters gewährleistet,
die ein Maß für die magnetische Feldenergie bei Strom
durchfluß durch einen Leiter darstellt. Da alle Teile
der Sensorstruktur in einheitlicher Dünnschichttechnik
herstellbar sind, ist kein großer Kostenaufwand zur
Herstellung bei größeren Stückzahlen nötig. Das Ver
hältnis von Kompensationsstrom zum zu messenden Magnet
feld wird im wesentlichen nur durch die Breite der
Stromleiterstreifen bestimmt. Da diese mit den hohen
Genauigkeiten der Mikrostrukturtechnologie gefertigt
werden, ist eine besondere Eichung des Verhältnisses
von Kompensationsstrom und Magnetfeld nicht erforder
lich.
Am Ort des jeweiligen magnetoresistiven Dünnschicht
streifens tritt zwar nicht nur das Magnetfeld auf, das
der Strom im jeweiligen gegenüberliegenden Schicht
streifenleiter erzeugt, sondern es sind auch noch die
jenigen Magnetfelder vorhanden, die in allen anderen
Schichtstreifenleitern des gesamten Elementes bei
Stromfluß im Kompensationsleiter entstehen. Aufgrund
der Anordnung von Dünnschichtstreifen, deren Länge groß
gegen die Breite ist und bei denen gleichzeitig die
Dicke gegen die Breite sehr klein ist, treten nur Feld
komponenten in Richtung der Schichtebenen quer zur
Streifenlängsrichtung und senkrecht dazu auf. Gegen
letztere sind nun die magnetoresistiven Dünnschicht
streifen völlig unempfindlich. Da die Schichtstreifen
leiter und die magnetoresistiven Dünnschichtstreifen
nur einen geringen Abstand voneinander haben, ist aber
das Magnetfeld der Ströme in allen dem jeweiligen ma
gnetoresistiven Dünnschichtstreifen nicht gegenüberlie
genden Leiterstreifen am Orte eines jeweiligen
magnetoresistiven Dünnschichtstreifens im wesentlichen
senkrecht zur Schichtebene gerichtet und damit ohne
Wirkung. Eine schwache Magnetfeldkomponente in der
Ebene der magnetoresistiven Dünnschichtstreifen ist von
derselben Richtung wie das Feld des gegenüberliegenden
Schichtstreifenleiters und unterstützt das Kompensati
onsfeld. Bei üblichen Abmessungen liegt ihr Feldstärke
beitrag unter einem Prozent. Durch Nutzung der spezifi
schen Eigenschaften der magnetoresistiven dünnen
Schichten ergibt sich also eine überraschend einfache
Struktur für den kompensierten Magnetfeldsensor.
Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung einer bekannten Kompensati
onsanordnung,
Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungs
gemäßen Magnetfeldsensors und
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfin
dung.
Das Kompensationsmeßprinzip nach dem Stand der Technik
für magnetoresistive, ferromagnetische Dünnschichtsen
soren ist in Fig. 1 als Übersichtsskizze dargestellt.
Eine aus vier magnetoresistiven Dünnschichtstreifen 1
bis 4 bestehende Wheatstone-Brücke wird aus einer Span
nungsquelle Ub gespeist. Auf den Dünnschichtstreifen
befindet sich unter einem Winkel von etwa +/-45° eine
Vielzahl von sehr gut leitfähigen Schichtstreifen (Bar
berpolen). Sie bewirken die Gegenläufigkeit der Wider
standsänderung der nebeneinanderliegenden Schichtwider
stände, wie sie für eine Brückenanordnung erforderlich
ist. Auf die Schichtwiderstände der Brücke wirkt in der
angegebenen Richtung ein Magnetfeld Hy. Das
Ausgangssignal der Brücke, das an den mit Us gekenn
zeichneten Punkten entnommen wird, führt man einem Ver
stärker A zu, der einen Kompensationsstrom IK durch
einen Schichtleiter 5 bewirkt, der sich unter allen ma
gnetoresistiven Dünnschichtstreifen 1 bis 4 befindet,
wobei die Größe des Stromes IK immer so reguliert wird,
daß das in der Nähe der Oberfläche des Schichtleiters 5
durch ihn erzeugte Magnetfeld HK das zu messende Ma
gnetfeld Hy gerade aufhebt. Das Ausgangssignal der Kom
pensationsanordnung ist eine Spannung Ua, die bei
Durchfluß des Kompensationsstromes IK an einem Wider
stand R entsteht.
Eine erfindungsgemäße Anordnung ist in Fig. 2 darge
stellt. In der Ebene 16 befinden sich vier parallele
magnetoresistive Dünnschichtstreifen 12 bis 15. Die
elektrische Verbindung dieser vier Dünnschichtstreifen
12 bis 15 ist nicht mit eingezeichnet. Möglich ist die
Verbindung zu einer Wheatstone-Brücke entsprechend Fig.
1; es kann aber auch eine Reihenschaltung der vier
Dünnschichtstreifen 12 bis 15 durchgeführt sein. Bei
Einwirken eines zu messenden Magnetfeldes Hy entspre
chend Fig. 1 würde sich dann der Gesamtwiderstand die
ser Reihenschaltung ändern. Weiter ist es möglich, die
Darstellung in Fig. 2 so zu verstehen, daß hier nur ein
Teil der gesamten Sensoranordnung dargestellt ist, die
insgesamt aus weiteren parallelen Dünnschichtstreifen
besteht. In Fig. 2 sind in zwei der Ebene 16 der magne
toresistiven Dünnschichtstreifen 12 bis 15 beiderseitig
benachbarten Ebenen 6; 7 Schichtstreifenleiter 10; 11
und 8; 9 vorhanden. Diese haben die gleiche Länge und
Breite wie die magnetoresistiven Dünnschichtstreifen 12
bis 15, wobei die Länge groß gegen die Breite ist. Der
Abstand zwischen einem Dünnschichtstreifen 12 bis 15
und einem jeweils gegenüberliegenden Schichtstreifen
leiter 8 bis 11 ist durch eine Isolationsschicht ausge
füllt, die nicht dargestellt ist. Ihre Dicke ist gegen
über der Breite der Schichtstreifenleiter 8 bis 11 bzw.
der Dünnschichtstreifen 12 bis 15 gering. Auch die
Dicke der magnetoresistiven Dünnschichtstreifen 12 bis
15 und der Schichtstreifenleiter 8 bis 11 ist im Ver
gleich mit ihren Breiten gering. Damit ist die magneti
sche Feldstärke eines Kompensationsstromes IK durch die
Schichtstreifenleiter 8 bis 11 am Ort der magnetoresi
stiven Dünnschichtstreifen 12 bis 15 mit dem Feld an
der Oberfläche der Schichtstreifenleiter identisch.
Dieser verläuft parallel zur Oberfläche und senkrecht
zur Streifenlängsrichtung und kann aus der Beziehung HK
=IK/2w bestimmt werden (w=Breite der
Schichtstreifenleiter 8 bis 11) Durch die Verbindung
der Enden der Schichtstreifenleiter 8 bis 11 in der
dargestellten Art wird erreicht, daß das durch den Kom
pensationsstrom IK erzeugte Magnetfeld im Bereich aller
magnetoresistiver Dünnschichtstreifen 12 bis 15 nach
rechts und damit dem zu messenden Magnetfeld Hy entge
gengesetzt gerichtet ist. Da nur direkt nebeneinander
liegende Schichtstreifenleiter 8 bis 11 miteinander
verbunden werden müssen, lassen sich diese Verbindungen
sehr niederohmig ausführen, und es wird eine uneffek
tive zusätzliche Wärmeerzeugung vermieden. Ein bestimm
tes zu messendes Magnetfeld Hy wird in einer erfin
dungsgemäßen Anordnung nach Fig. 2 mit einem bedeutend
geringeren Strom IK kompensiert als in einer Anordnung
nach Fig. 1, da nach der oben angegebenen Beziehung die
Feldstärke HK. umgekehrt proportional zur Streifenbreite
w ist. Da die Breite w der Schichtstreifenleiter 8 bis
11 im Bereich von etwa 10 µm liegt, sind mit Strömen im
mA-Bereich Magnetfelder von einigen kA/m kompensierbar,
was einen großen Feldmeßbereich des Sensors ermöglicht.
Gleichzeitig ist aus der angegebenen Beziehung erkenn
bar, daß ein nur von der mit Mitteln der Mikrostruktur
technik genau herstellbaren Streifenbreite abhängiges
Verhältnis zwischen Kompensationsstrom IK und Magnet
feld HK besteht. Da das Magnetfeld HK und das zu mes
sende Magnetfeld Hy immer gleich sind, erübrigt sich
eine Eichung des Sensors für viele Anwendungen. Da der
Kompensationsstrom IK in den nebeneinanderliegenden
Schichtstreifenleitern 8 bis 11 in entgegengesetzter
Richtung fließt, hebt sich das Gesamtmagnetfeld außer
in der unmittelbaren Umgebung derselben auf. Dadurch
hat der gesamte aus den Schichtstromleitern bestehende
Kompensationsstromleiter eine sehr geringe Induktivi
tät, so daß die Methode der Feldkompensation bis zu
sehr hohen Frequenzen möglich ist. Die Magnetfelder,
die nicht von gegenüberstehenden, sondern von weiter
entfernten Schichtstreifenleitern 8 bis 11 herrühren,
sind einmal schon wegen des größeren Abstandes bedeu
tend geringer und haben zum anderen im wesentlichen
eine Richtung, die senkrecht auf der Ebene der magneto
resistiven Dünnschichtstreifen 12 bis 15 steht. Gegen
Felder dieser Richtung sind die magnetoresistiven Dünn
schichtstreifen 12 bis 15 unempfindlich. Damit ist eine
Anordnung der Schichtstreifenleiter 8 bis 11 in unmit
telbarer Nähe nebeneinander ohne weiteres möglich und
erlaubt die Herstellung der Sensoren auf der kleinst
möglichen Fläche.
Eine andere vorteilhafte Anordnung der Erfindung zeigt
Fig. 3. In der Ebene 16 sind magnetoresistive Dünn
schichtstreifen 17 bis 20 angeordnet. Beiderseits die
ser Ebene 16 befinden sich in den parallelen Ebenen 6;
7 Schichtstreifenleiter 21 bis 28. Die Längen-, Brei
ten- und Dickenverhältnisse sind so, wie zur Anordnung
in Fig. 2 beschrieben. Die einem bestimmten magnetore
sistiven Dünnschichtstreifen 18 gegenüberliegenden
Schichtstreifenleiter 22 und 26 sind an dem dem Be
trachter abgewandten Ende miteinander verbunden. Am
vorderen Ende bestehen Verbindungen zum jeweils dane
benliegenden Schichtstreifenleiter 27 und 21, der aber
jeweils einer anderen Ebene 6; 7 zuzuordnen ist. Da
durch, daß hier der Kompensationsstrom IK mit seinem
Magnetfeld doppelt auf jeden magnetoresistiven Dünn
schichtleiter 17 bis 20 einwirken kann, wird bei dieser
Anordnung ein bestimmtes zu messendes Magnetfeld Hy be
reits mit der Hälfte des Stromes kompensiert wie im
Ausführungsbeispiel nach Fig. 2. Der Feldmeßbereich bei
gleichem Kompensationsstrom IK ist hier um einen Faktor
2 größer als nach Fig. 2. Ein Kompensationsmagnetfeld
besteht hier fast ausschließlich nur in dem geringen
Bereich zwischen den übereinanderliegenden Schicht
streifenleitern 21 und 25, 22 und 26, 23 und 27 bzw. 24
und 28. Dadurch ist gegenüber der Anordnung in Fig. 2
mit einer noch geringeren Induktivität zu rechnen. Von
der Herstellung her ist die Anordnung nach Fig. 3 nicht
aufwendiger als die nach Fig. 2, da in beiden Fällen
die Anzahl der zu strukturierenden Schichtebenen iden
tisch ist.
Claims (8)
1. Kompensierter Magnetfeldsensor, bestehend aus
parallelen magnetoresistiven, ferromagnetischen Dünn
schichtstreifen, die in einer Ebene angeordnet sind,
und aus einem von diesen isolierten elektrischen Lei
ter, durch den ein vom Sensorausgangssignal gesteuerter
Kompensationsstrom fließt, dessen Magnetfeld das zu
messende Magnetfeld am Ort der Dünnschichtstreifen auf
hebt, dadurch gekennzeichnet, daß als Kompensations
stromleiter Schichtstreifenleiter (8 bis 11 bzw. 21 bis
28) dienen, die in mindestens zwei zu beiden Seiten der
Sensorebene (16) liegenden Ebenen (6; 7) angeordnet
sind, deren Länge und Breite im wesentlichen gleich der
Länge und Breite der magnetoresistiven Dünnschicht
streifen (12 bis 15 bzw. 17 bis 20) ist und daß jedem
magnetoresistivem Dünnschichtstreifen (12 bis 15 bzw.
17 bis 20) zumindest ein Schichtstreifenleiter (z. B. 9)
in einer der benachbarten Ebenen (z. B. 7) ge
genüberliegt und daß die Schichtstreifenleiter (8 bis
11) derart miteinander verbunden sind, daß das Magnet
feld (Hy) in dem jeweils zugeordneten magnetoresistiven
Dünnschichtstreifen (12 bis 15 bzw. 17 bis 20) kompen
siert wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schichtstreifenleiter größer als der magnetore
sistive Dünnschichtstreifen ist und daß der Schicht
streifenleiter den magnetoresistiven Dünnschichtstrei
fen allseitig gleichmäßig übergreift.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schichtstreifenleiter dem magnetoresistiven
Dünnschichtstreifen deckungsgleich ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß jedem magnetoresistivem Dünn
schichtstreifen (12; 15) ein Schichtstreifenleiter (10;
9; 11; 8) zugeordnet ist und die den neben
einanderliegenden magnetoresistiven Dünnschichtstreifen
(12; 13; 14; 15) zugeordneten Schichtstreifenleiter
(10; 9; 11; 8) jeweils in einer Ebene (6; 7) liegen und
daß die Schichtstreifenleiter (10; 9; 11, 8) an ihren
Enden in der Art eines Mäanders verbunden sind.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß jedem magnetoresistiven Dünn
schichtstreifen (z. B. 18) zwei Schichtstreifenleiter
(z. B. 22 und 26) in benachbarten Ebenen zugeordnet
sind, und daß die dem jeweiligen magnetoresistiven
Dünnschichtstreifen (z. B. 18) zugeordneten Schicht
streifenleiter (z. B. 22 und 26) an den gleichen Enden
miteinander und an anderen Enden jeweils mit den dane
benliegenden magnetoresistiven Dünnschichtstreifen
(z. B. 17 und 19) zugeordneten Schichtstreifenleiter
(z. B. 21 und 27) der anderen Ebene (7 und 6) verbunden
sind.
6. Verwendung eines magnetoresistiven Dünnschicht
streifens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der magnetoresistive Dünnschichtstreifen in einem mini
malen Abstand symmetrisch zu einer Ebene angeordnet
ist, die durch den Mittelpunkt des das kompensierende
Magnetfeld erzeugenden Leiters geht.
7. Verwendung eines magnetoresistiven Dünnschicht
streifens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
bei einem bandförmigen Stromleiter der magnetoresistive
Dünnschichtstreifen in einer Ebene parallel zur Ebene
des Stromleiters angeordnet ist.
8. Verwendung eines magnetoresistiven Dünnschicht
streifens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der magnetoresistive Dünnschichtstreifen und der Strom
leiter in einem gemeinsamen Bauelement integriert sind.
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