DE4121374A1 - Kompensierter magnetfeldsensor - Google Patents

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 U_b 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 H_y. Das Ausgangssignal der Brücke, das an den mit U_s gekenn­ zeichneten Punkten entnommen wird, führt man einem Ver­ stärker A zu, der einen Kompensationsstrom I_K durch einen Schichtleiter 5 bewirkt, der sich unter allen ma­ gnetoresistiven Dünnschichtstreifen 1 bis 4 befindet, wobei die Größe des Stromes I_K immer so reguliert wird, daß das in der Nähe der Oberfläche des Schichtleiters 5 durch ihn erzeugte Magnetfeld H_K das zu messende Ma­ gnetfeld H_y gerade aufhebt. Das Ausgangssignal der Kom­ pensationsanordnung ist eine Spannung U_a, die bei Durchfluß des Kompensationsstromes I_K 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 H_y 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 I_K 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 H_K =I_K/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 I_K erzeugte Magnetfeld im Bereich aller magnetoresistiver Dünnschichtstreifen 12 bis 15 nach rechts und damit dem zu messenden Magnetfeld H_y 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 H_y wird in einer erfin­ dungsgemäßen Anordnung nach Fig. 2 mit einem bedeutend geringeren Strom I_K kompensiert als in einer Anordnung nach Fig. 1, da nach der oben angegebenen Beziehung die Feldstärke H_K. 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 I_K und Magnet­ feld H_K besteht. Da das Magnetfeld H_K und das zu mes­ sende Magnetfeld H_y immer gleich sind, erübrigt sich eine Eichung des Sensors für viele Anwendungen. Da der Kompensationsstrom I_K 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 I_K mit seinem Magnetfeld doppelt auf jeden magnetoresistiven Dünn­ schichtleiter 17 bis 20 einwirken kann, wird bei dieser Anordnung ein bestimmtes zu messendes Magnetfeld H_y be­ reits mit der Hälfte des Stromes kompensiert wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2. Der Feldmeßbereich bei gleichem Kompensationsstrom I_K 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 (H_y) 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.