DE4318716A1 - Magnetfeldsensor in Form einer Brückenschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor in Form einer Brückenschaltung für die Messung von Magnetfeldern geringer Stärke.

Für die Messung von Magnetfeldern geringer Stärke sind Brückenschaltungen, deren Widerstände aus magnetoresistiven Schichtstreifen auf ebenen Schichtträgern bestehen, aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit geeignet. Soll mit diesen Sensoren das Magnetfeld kleiner Ströme nachgewiesen werden, ist es vorteilhaft, zur Eliminierung von magnetischen Störfeldern magnetoresistive Brücken zu verwenden, die nicht das Magnetfeld selbst, sondern örtliche Magnetfelddifferenzen anzeigen. So eine magnetoresistive Anordnung wird in der Offenlegungsschrift DE-OS 33 17 594 beschrieben. Sie kann aus einer Brücke bestehen, die zwei oder vier magnetoresistive Schichtwiderstände enthält. Als Nachteil dieser Anordnung sind die Abhängigkeit der Feldempfindlichkeit von der Temperatur, der sehr begrenzte Linearitätsbereich, die Notwendigkeit des nur mit erheblichem Justieraufwand anzubringenden Dauermagneten zur Stabilisierung der Magnetisierungsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen und die zu große Nullpunktdrift zu nennen. Die Nachteile der Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Temperatur und des begrenzten Linearitätsbereiches sind in der Patentanmeldung P 43 00 605.1 zwar nicht mehr vorhanden, ein Stabilisierungsfeld ist aber auch hier notwendig und die Nullpunktdrift hat einen noch zu großen Wert. Darüber hinaus ist die dort angegebene Anordnung nur zur Messung von Felddifferenzen in Feldrichtung geeignet. Negativ auf die Meßempfindlichkeit wirken die zur Stabilisierung benötigten Dauermagneten selbst, da sie schon bei geringer, nicht zu vermeidender Fehljustage Feldkomponenten in Richtung des zu detektierenden Feldes verursachen. Durch Temperaturschwankungen, Alterung und Lageänderung der Dauermagneten bedingte Feldschwankungen überlagern sich mit dem zu messenden Feld und begrenzen die Auflösung.

Eine Methode zur Eliminierung der Nullpunktdrift bei magnetoresistiven Sensorbrücken wird in der Technischen Information 901 228 von Philips Components beschrieben. Die Sensorbrücke wird in einer gewickelten Spule plaziert. Kurze Stromimpulse abwechselnder Richtung durch die Spule erzeugen genügend Magnetfeld, um die Eigenmagnetisierung der magnetoresistiven Schichtstreifen in die entsprechende Richtung einzustellen. Da mit der Umkehr der Magnetisierungsrichtung das Sensorsignal seine Polarität ändert, ist mit Trennung des magnetfeldproportionalen Wechselanteils vom Gleichanteil, der die Nullspannung der Sensorbrücke enthält, auch deren Drift eliminiert. Die Herstellung solcher Spulen ist jedoch aufwendig. Ihre Induktivität begrenzt die Meßfrequenz und erfordert erheblichen Energieaufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, hochempfindliche magnetoresistive Sensorbrücken ohne Nullpunktdrift und für einen großen Frequenzbereich zu schaffen, die mit geringem Aufwand herstellbar sind und die Messung der von Strömen erzeugten örtlichen Magnetfelddifferenzen zulassen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Brückenschaltung von Brückenwiderständen aus magnetoresistiven Schichtstreifen mit gleicher Längsrichtung gelöst, bei denen die Flächen 1 der magnetoresistiven Schichtstreifen 2 jedes Brückenwiderstandes 5, 6, 7, 8 von mindestens einem Flachleiter 3 isoliert überdeckt sind. Dabei bildet dessen Längsrichtung, in der er von Strom durchflossen wird, mit der Richtung der magnetoresistiven Schichtstreifen 2 einen rechten Winkel. Die Anschlüsse der Flachleiter 3 sind in unterschiedlicher Art miteinander verschaltbar. Vorteilhaft sind sowohl die Brückenschaltung als auch die Flachleiter 3 integriert auf einem Substrat angeordnet.

Über den Flächen auf einem Chip 4, auf denen die magnetoresistiven Schichtstreifen 2, die entweder einzeln oder in Mäanderform angeordnet sind, sich befinden, ist oberhalb einer Isolationsschicht jeweils ein Flachleiter 3 aus gut leitfähigem Material vorhanden. Die Herstellung dieser Flachleiter 3 erfolgt gleichzeitig für alle Chips eines gesamten Wafers mit den üblichen Methoden der Beschichtung und Mikrostrukturierung und bedeutet damit kaum einen Mehraufwand. Die Induktivität der Flachleiter 3 liegt bei üblichen Abmessungen der magnetoresistiven Schichtstreifen höchstens im Bereich von wenigen Nanohenry und trägt somit nicht zur Verzögerung des Stromanstieges durch die Flachleiter 3 selbst bei. Die Flachleiter 3 haben Anschlüsse, die es gestatten, daß sie von einem Strom in einer Richtung durchflossen werden können, die senkrecht zur Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen 2 liegt. Das von diesen Strömen erzeugte Magnetfeld zeigt somit in positiver oder negativer Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen 2 und ist geeignet, die Magnetisierungsrichtung derselben entsprechend einzustellen. Mit der Magnetisierungsrichtung ist festgelegt, ob ein in Meßrichtung an der Sensorbrücke anliegendes Magnetfeld zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Schichtstreifenwiderstandes führt. Durch die Ströme in den Flachleitern 3 kann also im einzelnen festgelegt werden, in welcher Richtung sich die vier Brückenwiderstände 5 bis 8 bei Magnetfeldeinwirkung verändern sollen. Damit kann für eine einmal hergestellte Sensorbrücke nachträglich festgelegt werden, ob sie den Mittelwert der Magnetfeldstärke am Ort ihrer vier Brückenwiderstände 5 bis 8 oder den Feldgradienten in Feldrichtung oder den Feldgradienten senkrecht zur Feldrichtung angeben soll. Für diese drei Betriebsweisen sind unterschiedliche Verschaltungen der vier Flachleiter anzuwenden. Für alle drei Betriebsweisen kann der Strom in Impulsform in den Flachleitern periodisch seine Richtung ändern, so daß Sensorbrückensignale als Wechselspannungsgrößen vorliegen und so die Nullpunktdriften keine Rolle spielen.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die beiden Brückenwiderstände 5 und 8 bzw. 6 und 7, die jeweils die gleiche Magnetisierungsrichtung benötigen, auf jeweils einer gemeinsamen fläche 16 bzw. 17 nebeneinander untergebracht. Dann kann jeweils ein gemeinsamer Flachleiter 3 über beide Flächen geführt werden. Der Flachleiter erhält so eine minimale Länge und einen minimalen Widerstand, so daß in ihm ein Durchfluß des für die Magnetisierung der magnetoresistiven Schichtstreifen notwendigen Stromes nur ein Minimum an Wärme erzeugt wird.

In einer speziellen Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors sind die beiden Brückenwiderstände, die die gleiche Magnetisierungsrichtung benötigen, nicht nur nebeneinander auf derselben Fläche angeordnet, sondern die magnetoresistiven Schichtstreifen der beiden Widerstände sind abwechselnd oder paarweise abwechselnd plaziert. Damit wird ein Einfluß eines Gradienten der Magnetfeldstärke in Richtung quer zur Streifenlängsrichtung ausgeschlossen. Der Sensor zeigt je nach eingestellter Magnetisierungsrichtung nur den Mittelwert der Magnetfeldstärke am Sensorort an oder den Gradienten in Längsrichtung der Schichtstreifen. Eine Störung durch den senkrecht dazu vorhandenen Gradienten ist ausgeschlossen. Auf den Vorteil, daß mit demselben Sensor nach entsprechender Umpolung der Stromrichtungen in den Flachleitern direkt nacheinander unterschiedliche Größen das Magnetfeldes gemessen werden können, wird hier ausdrücklich hingewiesen. Die Umpolung erfolgt dabei zweckmäßig mit einem elektronischen Umschalter.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen und anhand der Figuren näher erläutert.

Fig. 1 enthält eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung. In Fig. 2 sind verschiedene Varianten derselben Sensorbrücke zur Messung unterschiedlicher Größen des Magnetfeldes zusammengestellt. Fig. 3 zeigt den Aufbau einer Sensorbrücke für die Messung der Magnetfeldgrößen zur Bestimmung eines geringen Stromes.

In Fig. 1 ist eine Brückenschaltung, die im wesentlichen aus miteinander verbundenen vier Widerständen 5, 6, 7 und 8 besteht, dargestellt. Mit 1 sind die Flächen der Widerstände 5, 6, 7 und 8 bezeichnet, auf denen der aus einem oder mehreren magnetoresistiven Schichtstreifen 2 aufgebaute Widerstand untergebracht ist. Die Struktur der Widerstände ist in Fig. 1B genauer erkennbar. Auf den magnetoresistiven Schichtstreifen 2 befindet sich überall die gleiche Barberpolstruktur, die für eine Drehung des Stromes in den Schichtstreifen 2 um +45° gegen die nach oben zeigende Längsrichtung sorgt. Bei nach oben gerichteter Magnetisierung der magnetoresistiven Schichtstreifen 2 bewirkt so ein nach rechts gerichtetes Magnetfeld in der Zeichenebene eine Widerstandszunahme. Bei nach unten gerichteter Magnetisierung nimmt für das gleiche Feld der Widerstand gegenüber dem feldfreien Zustand ab. Die Brücke wird mit der Spannung UB versorgt und ihre Ausgangsspannungsdifferenz ist an den Abgriffen UA1 und UA2 abzunehmen. Sie ist auf einer Chipfläche 4 plaziert. Über den Flächen 1 der Widerstände 5, 6, 7 und 8 sind jeweils isoliert hoch leitende Flachleiter 3 rechtwinklig zur Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen 2 angeordnet. Diese Flachleiter 3 haben Stromeingangs- und Stromausgangskontakte. Bei Stromfluß durch die Flachleiter 3 entsteht entweder ein nach oben oder nach unten gerichtetes Magnetfeld, das bei genügender Stärke die Eigenmagnetisierung der magnetoresistiven Schichtstreifen 2 in die entsprechende Richtung dreht.

Eine Brücke mit gleicher Eigenmagnetisierungsrichtung aller magnetoresistiven Schichtstreifen 2 aller Brückenwiderstände 5, 6, 7 und 8 ist magnetfeldunempfindlich. Wird die Magnetisierung durch Stromimpulse entsprechender Richtung so eingestellt, wie es in Fig. 2A durch Pfeile auf den Flächen der Widerstände gezeigt ist, mißt die Sensorbrücke den Mittelwert der Magnetfeldstärke im Bereich der Brücke. Bei einer Einstellung der Magnetisierung entsprechend Fig. 2B erscheint am Ausgang der Brücke nur dann ein Signal, wenn die Magnetfeldstärke senkrecht zur Eigenmagnetisierungsrichtung ungleiche Werte, also einen Gradienten aufweist. Bei der Einstellung gemäß Fig. 2C führt nur ein Gradient in Eigenmagnetisierungsrichtung zu einer Spannungsdifferenz am Brückenausgang. In allen Fällen kann durch zeitlich periodisches Umkehren aller Magnetisierungsrichtungen ein der jeweiligen Ausgangsgröße entsprechendes Wechselspannungssignal erhalten werden, für das eine Nullpunktdrift nicht existiert.

Eine spezielle Anordnung eines Magnetfeldsensors zum Nachweis kleiner Ströme ist in Fig. 3 dargestellt. Auf der Chipfläche 4 befinden sich zwei Flächen 16, 17, auf denen in einem Abstand 15 jeweils gemeinsam die diagonal liegenden Brückenwiderstände 5 und 8 sowie 6 und 7 angeordnet sind. Die Widerstände nehmen in der elektrischen Brückenschaltung die Position entsprechend der Angaben in Fig. 1 ein. Sie bestehen alle aus gleichen magnetoresistiven Schichtstreifen 2 mit gleicher Barberpolstruktur. Die gemeinsamen Widerstandsflächen 16 bzw. 17 werden von jeweils einem Flachleiter 9 bzw. 10 überdeckt. Der zu messende Strom befindet sich in der Zeichnung unterhalb der Chipfläche mit einer Richtung, die die Zeichenebene senkrecht durchstoßen würde. Die Flachleiter 9, 10 haben jeweils zwei Stromkontakte 11, 12 bzw. 13, 14. Bei Verbindung der Kontakte 12 und 13 und Stromeinspeisung in die Kontakte 11 und 14 fließt der Strom so durch die Flachleiter 9 und 10, daß die Magnetisierungsrichtung in allen magnetoresistiven Schichtstreifen 2 gleich ist. In diesem Fall stellt diese Anordnung ein Gradiometer dar, dessen Ausgangsspannung zur Felddifferenz zwischen der oberen Widerstandsfläche 16 unter der unteren 17 proportional ist. Durch die Anwendung dieses Gradiometers ist die Einwirkung weiter entfernt liegender Feldquellen stark reduziert. Da durch Anwendung des periodischen Ummagnetisierens mit Hilfe von Stromimpulsen wechselnder Richtung die Nullpunktdrift eliminiert ist, können so auch die Felder relativ kleiner Ströme noch sicher gemessen werden. Magnetfeldgradienten in Richtung des Impulsstromes, die durch Ströme verursacht sein können, die parallel zum zu messenden Strom in der gleichen Ebene fließen wie dieser, haben wegen der Ineinanderschachtelung der magnetoresistiven Schichtstreifen 2 der jeweils zwei Brückenwiderstände 5, 8 bzw. 6, 7, die paarweise abwechselnd angeordnet sind, nur einen sehr kleinen Einfluß.

Für den Fall, daß der zu messende Strom in einem Leiter fließt, dessen Breite groß gegen die Sensorbreite von einigen zehntel Millimeter ist und auch größer als der Abstand 15 zwischen den Widerstandsflächen 16, 17 von der gleichen Größe, wird nur ein verschwindend geringer Feldgradient erzeugt. Jetzt wird der Stromkontakt 12 des Flachleiters 9 mit dem Kontakt 14 des Flachleiters 10 verbunden und die Stromimpulse werden zwischen den Kontakten 11 und 13 eingespeist. Dadurch kehrt sich die Magnetisierungsrichtung in den Widerständen 6 und 7 um und es wird jetzt das mittlere Magnetfeld dieses breit verteilten Stromes gemessen. Damit ist der Strom auch für diesen Fall nachweisbar.

Claims (8)

1. Magnetfeldsensor in Form einer Brückenschaltung aus magnetoresistiven Schichtstreifen mit gleicher Längsrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (1) der magnetoresistiven Schichtstreifen (2) jedes Brückenwiderstandes (5, 6, 7, 8) von mindestens einem Flachleiter (3) isoliert überdeckt sind, dessen Längsrichtung, in der er vom Strom durchflossen wird, mit der Richtung der magnetoresistiven Schichtstreifen (2) einen rechten Winkel bildet und daß die Flachleiter (3) in unterschiedlicher Art miteinander verschaltbar sind.

2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Brückenschaltung als auch die Flachleiter (3) Integriert auf einem Substrat angeordnet sind.

3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachleiter (3) so verschaltet sind, daß der Strom über allen Brückenwiderständen (5, 6, 7, 8) In gleicher Richtung fließt.

4. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachleiter (3) so verschaltet sind, daß der Strom über zwei Brückenwiderstände (5, 8) in entgegengesetzter Richtung zum Strom über den restlichen beiden Brückenwiderständen (6, 7) fließt.

5. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Brückenwiderstände (5) und (8) bzw. (6) und (7) auf jeweils einer gemeinsamen Fläche (16) bzw. (17) untergebracht sind und daß die beiden gemeinsamen Flächen (16, 17) in einem Abstand (15) in Richtung der magnetoresistiven Schichtstreifen (2) angeordnet sind und jeweils von mindestens einem Flachleiter (9) bzw. (10) isoliert überdeckt sind.

6. Magnetfeldsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den gemeinsamen Flächen (16, 17) die in der elektrischen Brückenschaltung diagonal liegenden Brückenwiderstände (5, 6, 7, 8) aus einer Vielzahl von magnetoresistiven Schichtstreifen (2) besteht, die auf den gemeinsamen Flächen (16, 17) einzeln oder paarweise abwechselnd mit den Schichtstreifen (2) des jeweils zugehörigen Diagonalwiderstandes angeordnet sind.

7. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Brückenschaltung und den Flachleitern (3) ein elektronischer Umschalter angeordnet ist, der die Flachleiter (3) so verschaltet, daß wechselweise gleiche oder unterschiedliche Magnetfeldrichtungen in den Widerständen (5, 6, 7 und 8) einstellbar sind.

8. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Flachleitern (3) fließenden Ströme periodisch ihre Richtungen umkehren und während der Periodenlänge nur für eine sehr kurze Dauer vorhanden sind.