DE4319146A1 - Magnetfeldsensor, aufgebaut aus einer Ummagnetisierungsleitung und einem oder mehreren magnetoresistiven Widerständen - Google Patents

Description

Die Messung von Magnetfeldern geringer Stärke, wie beispielsweise des Erdmagnetfeldes, ist bekanntlich mit Sensoren möglich, die den anisotropen magnetoresistiven Effekt nutzen. Trotz ausreichender Magnetfeldempfindlichkeit ergeben sich bei größeren Temperaturänderungen jedoch wegen der nicht unerheblichen Nullpunktdrift der Sensoren größere Probleme.

Eine Methode zur Eliminierung der Nullpunktdrift bei magnetoresistiven Sensorbrücken wird in der Technischen Information 901 228 von Philips Components beschrieben. Die magnetoresistive 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. Die Justierung der Sensorelemente in der Spule ist ein aufwendiger Arbeitsvorgang, insbesondere, wenn alle drei Magnetfeldkomponenten im Raum mit einer Anordnung gemessen werden sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Magnetfeldsensor mit minimaler Nullpunktdrift anzugeben, der vollständig in Dünnschichttechnik kostengünstig gefertigt werden kann und bei dem Einschränkungen in der Meßfrequenz durch das Sensorelement nicht verursacht werden.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen beschriebenen Dünnschichtanordnungen gelöst. Im einfachsten Fall genügt es, einen einzigen magnetfeldabhängigen Widerstand, der aus einem oder mehreren magnetoresistiven Schichtstreifen besteht, isoliert auf einem zu dessen Längsrichtung senkrechten hochleitfähigen Dünnschichtleiterstreifen anzuordnen. Der hochleitfähige Dünnschichtleiterstreifen ist jedoch mäanderförmig strukturiert. Damit trotz der über den nebeneinanderliegenden Mäanderstreifen abwechselnden Magnetfeldrichtung bei Stromdurchfluß ein Widerstand entsteht, der sich in allen Teilbereichen unter dem Einfluß eines zu messenden Feldes gleichsinnig ändert, wurden die magnetoresistiven Schichtstreifen in solche Bereiche zerlegt, die Barberpolstrukturen mit entgegengesetzt gerichtetem Neigungswinkel zur Streifenlängsrichtung haben. Durch die Mäandrierung des hochleitfähigen Dünnschichtleiterstreifens ergibt sich vorteilhafterweise, daß für die Umkehr der Magnetisierungsrichtung nur ein geringer Strom benötigt wird. Weiterhin ist das außerhalb des Sensorchips vorhandene magnetische Streufeld sehr gering, da sich die Magnetfelder der nebeneinanderliegenden Mäanderstreifen wegen ihrer entgegengesetzten Richtung weitgehend aufheben. Damit können die Magnetfeldsensoren in unmittelbarer Nähe zueinander betrieben werden. Aus dem gleichen Grunde hat der Ummagnetisierungsleiter auch eine sehr geringe Induktivität, so daß Begrenzungen der Meßfrequenz durch diese nicht mehr auftreten.

Bei Betrieb des Magnetfeldsensors mit einem magnetoresistiven Widerstand wird in diesen ein Konstantstrom eingespeist. Als Ausgangssignal wird die Spannung am magnetoresistiven Widerstand gemessen. Nach einem Stromimpuls bestimmter Richtung durch den hochleitfähigen Dünnschichtleiterstreifen ist die Eigenmagnetisierung in den Bereichen des magnetoresistiven Widerstandes in bestimmter Weise festgelegt. Das zu messende Magnetfeld bewirkt in diesem Zustand eine Zunahme des Widerstandswertes des magnetoresistiven Widerstandes. Die Ausgangsspannung ist also größer als im magnetfeldfreien Fall. Wird jetzt in den hochleitfähigen Dünnschichtleiterstreifen ein Stromimpuls mit entgegengesetzter Richtung zum vorhergehenden eingespeist, kehren sich die Richtungen der Eigenmagnetisierungen um. Damit bewirkt das zu messende Feld eine Widerstandsverringerung und die Ausgangsspannung ist kleiner als im magnetfeldfreien Fall. Mit ständig wechselnder Impulsrichtung ist also am Ausgang eine Wechselspannung vorhanden, deren Amplitude dem zu messenden Magnetfeld proportional ist. Irgendwelche Einflüsse, wie beispielsweise die Temperatur, die zu einer langsamen Drift des Widerstandswertes des magnetoresistiven Schichtstreifens führen, haben keinen Einfluß auf die Ausgangswechselspannung. Allerdings macht sich die Abnahme des magnetoresistiven Effektes mit steigender Temperatur in der Ausgangswechselspannungsamplitude bemerkbar.

Deshalb ist in einer anderen Ausführung der Erfindung unter jedem magnetoresistiven Schichtstreifen isoliert in gleicher Richtung ein weiterer hochleitfähiger Schichtstreifen vorhanden. Der Strom durch diese hochleitfähigen Schichtstreifen wird von der Sensorausgangsspannung so gesteuert, daß das angelegte zu messende Magnetfeld durch ihn gerade aufgehoben wird. Die dazu notwendige Schaltung ist jedoch nicht Gegenstand dieser Erfindung. Der magnetoresistive Magnetfeldsensor wirkt in diesem Fall als Nulldetektor. Ausgangsgröße der Anordnung ist die Größe des Kompensationsstromes, die von der Temperatur der Anordnung nicht abhängt. Ebenso spielen Nichtlinearitäten in der Sensorkennlinie keine Rolle mehr, da der Sensor ja nicht ausgesteuert wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird nicht nur ein einziger magnetoresistiver Widerstand verwendet, sondern es sind über dem Dünnschichtummagnetisierungsleiter und dem hochleitfähigen Kompensationsleiter vier parallele aus mehreren Bereichen bestehende magnetoresistive Widerstände vorhanden, deren Bereiche mit Barberpolstrukturen abwechselnden positiven und negativen Winkels zur Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen versehen sind, und zwar so, daß sie jeweils abwechselnd mit Bereichen positiven und negativen Barberpolstrukturwinkels beginnen. Die vier Widerstände sind zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet. Wird der Ummagnetisierungsleiter wieder mit Impulsen abwechselnd entgegengesetzter Richtung betrieben, so erscheint am Brückenausgang ein Wechselspannungssignal. Diesem ist jetzt nur ein Gleichspannungssignal überlagert, das sich aus den möglicherweise ungleichen vier Widerstandswerten der Brücke ergibt. Dieser Gleichspannungsanteil ist jedoch wesentlich geringer als der bei der Verwendung eines einzigen Widerstandes, was eine einfachere Auswertung ermöglicht. Selbstverständlich ist die Kompensation des zu messenden Magnetfeldes auch hier anwendbar.

Die Brückenanordnung kann aus vier Widerständen bestehen, die alle aus einer geraden Zahl von Bereichen gebildet sind. Nur die Reihenfolge des Winkels der Barberpolstruktur ändert sich von einem Widerstand zum anderen. Durch einen ersten starken Stromimpuls durch den Ummagnetisierungsleiter wird die Magnetisierungsrichtung in den Bereichen eingestellt. Damit ist die Sensorbrücke magnetfeldempfindlich und kann so in üblicher Weise ohne weitere Ummagnetisierung benutzt werden. Da alle vier Widerstände der Brücke aus gleichen Bereichen bestehen, ist bei veränderlicher Temperatur der Sensoranordnung in allen Widerständen mit gleichen Änderungen zu rechnen. Das gilt auch für den Änderungsanteil, der über die veränderlichen Schichtspannungen und in deren Folge durch die Magnetostriktion entsteht. Die Sensorbrücke hat also eine reduzierte Nullpunktdrift gegenüber bekannten Sensorbrückenanordnungen und ist deshalb auch im üblichen Betrieb zur Messung kleinerer Felder geeignet. Ein konstanter Strom durch den Ummagnetisierungsleiter kann jetzt zur Erzeugung eines bestimmten Stabilisierungsmagnetfeldes dienen, über das eine bestimmte Sensorempfindlichkeit eingestellt wird. Die erfindungsgemäße Anordnung ist also bei Anwendung unterschiedlicher Auswerteverfahren für die Magnetfeldmessung vorteilhaft einsetzbar.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In Fig. 1 ist dazu ein magnetoresistiver Widerstand über einem ebenen Ummagnetisierungsleiter dargestellt. Fig. 2 zeigt, wie zusätzlich dazu ein ebener Kompensationsleiter angeordnet ist. Fig. 3 enthält eine komplexe Anordnung mit Sensorbrücke, Ummagnetisierungsleiter und Kompensationsleiter.

In Fig. 1 ist ein mäandrierter hochleitfähiger ebener Dünnschichtleiter 6, der sich auf einem Schichtträger befindet, dargestellt, in den bei Anschluß an beiden Enden ein Strom I_M eingespeist werden kann. Über diesem Dünnschichtleiter 6 sind isoliert Bereiche 1 von magnetoresistiven Schichtstreifen mit ihrer Längsrichtung senkrecht zu den Mäanderstreifen des Dünnschichtleiters 6 angeordnet. Auf den Bereichen 1 der magnetoresistiven Schichtstreifen befinden sich Barberpolstrukturen, die abwechselnd einen negativen Winkel 3 und einen positiven Winkel 4 mit der Längsrichtung der Bereiche 1 bilden. Die Bereiche 1 sind alle durch gut leitfähige, nichtmagnetische Verbindungen 2 elektrisch in Reihe geschaltet, so daß ein einziger Widerstand vorhanden ist. Die Reihenschaltung ist an den Kontaktflächen 5 elektrisch anschließbar. Im Betrieb des Magnetfeldsensors wird hier ein Konstantstrom eingespeist. Nach einem Stromimpuls durch den Ummagnetisierungsleiter 6 in der durch den Pfeil charakterisierten Richtung sind die Magnetisierungsrichtungen in den Bereichen 1 wie durch die entsprechenden Pfeile angezeigt, eingestellt. Ein zu messendes externes Magnetfeld H_e bewirkt bei den gezeichneten Magnetisierungsrichtungen eine Erhöhung des Widerstandswertes in allen Bereichen 1 gegenüber dem feldfreien Zustand. Ein Stromimpuls entgegengesetzter Richtung durch den Ummagnetisierungsleiter 6 dreht die Magnetisierungen aller Bereiche 1 in die entgegengesetzte Richtung. Damit wird durch das externe Magnetfeld H_e eine Widerstandsabnahme bewirkt. Am magnetoresistiven Widerstand ist so bei periodischer Ummagnetisierung eine Wechselspannung abgreifbar, deren Amplitude der Magnetfeldstärke von H_e proportional ist. Zur Ummagnetisierung der magnetoresistiven Bereiche ist eine bestimmte Mindestfeldstärke erforderlich. Die Feldstärke, die durch den Ummagnetisierungsstrom erzeugt wird, ist der Breite des Dünnschichtleiters umgekehrt proportional. Durch die Mäandrierung wird die Breite wesentlich herabgesetzt und damit der zum Ummagnetisieren nötige Stromwert drastisch verringert. Durch die Aufteilung des magnetoresistiven Widerstandsleiters in viele Bereiche 1 kann ohne weiteres ein hoher Widerstandswert realisiert werden. Da die Widerstandsänderung dem Widerstandswert proportional ist und diese wiederum als Proportionalitätsfaktor in die Ausgangswechselspannung eingeht, ist auch für eine hohe Ausgangsspannungsamplitude gesorgt. Daß der magnetoresistive Widerstand durch die Verbindungen 2 ebenfalls in Form eines Mäanders ausgebildet ist, hat den Vorteil, daß das Sensorelement auf Chipflächen geringer Abmessung untergebracht werden kann.

Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung unterscheidet sich von der in Fig. 1 lediglich durch einen zusätzlichen gut leitenden Schichtmäander 7, der unter den magnetoresistiven Bereichen 1 angeordnet ist. Das Magnetfeld des Stromes I_k durch diesen Mäander 7 ist dem externen Magnetfeld H_e am Ort der Bereiche 1 entgegengerichtet. Aus der Ausgangswechselspannung des magnetoresistiven Widerstandes läßt sich ein Signal ableiten, das dafür sorgt, daß der Strom I_k genau auf einen solchen Wert eingestellt wird, daß das externe Magnetfeld am Ort der Bereiche 1 aufgehoben ist. Der so eingestellte Kompensationsstrom I_k stellt nun das Sensorausgangssignal dar. Der magnetoresistive Widerstand wirkt hier nur noch als Nulldetektor. Temperaturabhängigkeiten und Nichtlinearitäten in seiner Kennlinie sind so eliminiert.

In Fig. 3 sind die Bereiche 1 der magnetoresistiven Widerstände durch Verbindungsleitungen 2 und 10 so miteinander verbunden, daß eine Brückenschaltung entsteht. Die Kontaktflächen 8 sind für die Brückenbetriebsspannung, die Kontaktflächen 9 für die Brückenausgangsspannung vorgesehen. Ein Ummagnetisierungsleiter 6 und eine Kompensationsleitung 7 sind wie in Fig. 2 auch hier vorhanden. Kompensation des externen zu messenden Magnetfeldes ist hier selbstverständlich ebenso möglich, wenn zur Regelung des Stromes I_k das Wechselspannungssignal des Brückenausgangs verwendet wird.

In der Fig. 3 besteht jeder Brückenwiderstand aus einer geraden Anzahl von Bereichen 1. Unterschiedlich ist nur der Winkel der Barberpolstrukturen der jeweils nebeneinander befindlichen Bereiche 1. Die Brückenwiderstände sind also aus völlig gleichen Bestandteilen zusammengesetzt. Bei Temperaturänderungen werden sich die Widerstände also auch um gleiche Werte ändern. Das trifft auch für die sich aus der über die Magnetostriktion erzeugte Widerstandsänderung durch Drehung der Magnetisierungsrichtung zu. Unterschiede in dieser Größe stellen bei bisher bekannten magnetoresistiven Brückenanordnungen den Hauptanteil der Nullpunktdrift der Brückenausgangsspannung dar. Deshalb hat die hier vorgestellte Brücke auch bei Betrieb mit Gleichspannung eine stark reduzierte Nullpunktdrift. Damit ist auch das Betreiben des Brückensensors ohne ständige periodische Ummagnetisierung der Bereiche 1 vorteilhaft möglich. Ein Gleichstrom durch den Ummagnetisierungsleiter 6 kann in diesem Fall zur Erzeugung eines magnetischen Gleichfeldes am Ort der Bereiche 1 genutzt werden und so die einmal eingestellte Magnetisierungsrichtung stabilisieren.

Claims (6)

1. Magnetfeldsensor, aufgebaut aus einer Ummagnetisierungsleitung und einem oder mehreren magnetoresistiven Widerständen, die durch Schichtstreifen mit Barberpolstruktur gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere parallel angeordnete magnetoresistive Schichtstreifen jeweils aus hintereinander geschalteten, magnetisch getrennten Bereichen (1) bestehen, die Barberpolstrukturen (3; 4) mit abwechselnd positivem (4) und negativem Winkel (3) zur Schichtstreifenlängsrichtung tragen und daß ein als Ummagnetisierungsleitung dienender hochleitfähiger Dünnschichtleiterstreifen (6), dessen Längsrichtung mit der Längsrichtung der magnetoresistiven Schichtstreifen einen Winkel bildet und von diesen isoliert ist, mäanderförmig darunter angeordnet ist.

2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den Längsrichtungen der magnetoresistiven Schichtstreifen und der hochleitfähigen Dünnschichtleiterstreifen 90° ist.

3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleiche parallel angeordnete magnetoresistive Schichtstreifen mäanderförmig verbunden sind, und so alle einen einzigen Widerstand bilden.

4. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des von außen auf den Sensor wirkenden Magnetfeldes unter den magnetoresistiven Schichtstreifen weitere hochleitfähige Schichtstreifen (7), deren Längsrichtung mit der der magnetoresistiven Schichtstreifen übereinstimmt, isoliert von den anderen Schichten vorhanden sind, und in der Fläche zwischen jeweils zwei magnetoresistiven Schichtstreifen ein Verbindungsleiter verläuft, so daß ein weiterer Mäander entsteht.

5. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß vier parallele, aus mehreren Bereichen (1) bestehende magnetoresistive Schichtstreifen vorhanden sind, die mit Bereichen (1) beginnen, die abwechselnd Barberpolstrukturen mit positivem (3) und negativem (4) Winkel tragen und die zu einer Wheatstonebrücke verschaltet sind.

6. Magnetfeldsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Brückenwiderstand aus mehreren magnetoresistiven Schichtstreifen besteht.