DE4427495A1

DE4427495A1 - Sensoreinrichtung mit einem GMR-Sensorelement

Info

Publication number: DE4427495A1
Application number: DE4427495A
Authority: DE
Inventors: Hugo A M Van Den Dr Berg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-08-03
Filing date: 1994-08-03
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2014-08-04
Also published as: DE4434912A1; DE4427495C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinrichtung zur Er fassung eines äußeren Magnetfeldes mit einem einen sehr gro ßen magnetoresistiven Effekt (GMR) zeigenden Sensorelement und mit Mitteln zum Führen eines vorgegebenen Stromes über die Einrichtung. Eine derartige Sensoreinrichtung ist der DE- OS-42 32 244 zu entnehmen.

In ferromagnetischen Übergangsmetallen wie Nickel (Ni) Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) und deren Legierungen ist der elektri sche Widerstand von der Größe und der Richtung eines das Ma terial durchdringenden Magnetfeldes abhängig. Diesen Effekt nennt man anisotropen Magnetowiderstand (AMR) oder anisotro pen magnetoresistiven Effekt. Er beruht physikalisch auf den unterschiedlichen Streuquerschnitten von Elektronen mit der Spinpolarität des D-Bandes mit unterschiedlichem Spin, die entsprechend als Majoritäts- bzw. Minoritätselektronen be zeichnet werden. Für magnetoresistive Sensoren wird im all gemeinen eine dünne Schicht aus einem solchen magnetoresisti ven Material mit einer Magnetisierung in der Schicht ebene verwendet. Die Widerstandsänderung bei Drehung der Magneti sierung bezüglich der Stromrichtung kann einige Prozent des normalen isotropen (ohmschen) Widerstandes betragen.

Ferner sind seit einiger Zeit magnetoresistive Mehrschicht systeme bekannt mit mehreren, zu einem Stapel angeordneten ferromagnetischen Schichten, die durch metallische Zwischen schichten voneinander getrennt sind und deren Magnetisierun gen jeweils in der Schichtebene liegen. Die jeweiligen Schichtdicken sind dabei deutlich geringer als die mittlere freie Weglänge der Leitungselektronen gewählt. In solchen Schichtsystemen kann nun zusätzlich zu dem anisotropen magne toresistiven Effekt (AMR) in den einzelnen Schichten ein so genannter Giant-magnetoresistiver Effekt oder Giant-Magneto widerstand (GMR) auftreten. Ein solcher GMR-Effekt beruht auf der unterschiedlich starken Streuung von Majoritäts- und Mi noritäts-Leitungselektronen an den Grenzflächen zwischen den ferromagnetischen Schichten und den Zwischenschichten sowie auf Streuungen innerhalb der Schichten, insbesondere bei Ver wendung von Legierungen. Der GMR-Effekt ist ein isotroper Ef fekt und kann erheblich größer sein als der anisotrope Effekt AMR mit Werten bis zu 70% des normalen isotropen Widerstan des.

Es sind zwei Grundtypen von entsprechenden magnetoresistiven Mehrschichtsystemen bekannt. Bei dem ersten Typ sind die fer romagnetischen Schichten über die Zwischenschichten antifer romagnetisch miteinander gekoppelt, so daß sich die in den Schichtebenen liegenden Magnetisierungen von zwei benachbar ten ferromagnetischen Schichten ohne äußeres Magnetfeld anti parallel zueinander ausrichten. Ein entsprechendes Beispiel für diesen Typ sind Eisen-Chrom-Übergitter (Fe-Cr-Superlat tices) mit ferromagnetischen Schichten aus Fe und antiferro magnetischen Zwischenschichten aus Cr. Dieser Typ mit anti ferromagnetisch gekoppelten, ferromagnetischen Schichten zeigt eine Abhängigkeit der Strom- und der Transmissionskoef fizienten für an den Grenzflächen gestreute Elektronen mit Spin-up einerseits und mit Spin-down andererseits vom Winkel zwischen den Magnetisierungen in benachbarten ferromagneti schen Schichten. Dabei nimmt der GMR-Effekt bei von 0° auf 180° wachsendem Winkel zwischen den beiden Magnetisierungen stetig zu und erreicht bei 180° sein Maximum ("Phys. Rev. Lett.", Vol. 63, No. 6, Aug. 1989, Seiten 664 bis 667 oder "IEEE Trans. Magn.", Vol. 28, No. 5, Sept. 1992, Seiten 2482 bis 2487).

Bei dem zweiten Grundtyp eines einen GMR-Effekt zeigenden Mehrschichtsystems sind die nicht-magnetischen Zwischen schichten zwischen den ferromagnetischen Schichten so dick gewählt, daß die magnetische Austauschkopplung zwischen den ferromagnetischen Schichten möglichst gering ist. Die Zwi schenschichten können aus einem Metall, einem Halbleiter oder auch einem Isolator bestehen. Jeweils benachbarte ferromagne tische Schichten sollen dabei unterschiedliche Koerzitivfeld stärken aufweisen. Die Abhängigkeit ihrer Magnetisierungen von einem äußeren Magnetfeld ergibt sich aus den entsprechen den Hysteresekurven des magnetisch weicheren bzw. magnetisch härteren Materials. Wenn die Magnetisierungen der magnetisch weicheren Schichten parallel zu den Magnetisierungen der ma gnetisch härteren Schichten ausgerichtet sind, ist der Wider stand des gesamten Mehrschichtsystems am kleinsten. Bei einer antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierungen ist der Wi derstand hingegen am größten.

Um nun mit einem solchen Mehrschichtsystem vom zweiten Typ ein auswertbares Sensorsignal zu erhalten, bringt man das Schichtsystem zunächst in die magnetische Sättigung. Das be deutet, daß bei einem Magnetfeld mit einer vorgegebenen Meß richtung die Feldstärke des Magnetfeldes oberhalb der größe ren der beiden Koerzitivfeldstärken der Schichten eingestellt wird und die Magnetisierungen aller Schicht somit parallel zu dieser Sättigungsfeldrichtung ausgerichtet werden. Es gibt einen solchen Sättigungsbereich für ein in Meßrichtung ge richtetes, positives Magnetfeld und einen weiteren, symme trisch zum ersten liegenden Sättigungsbereich, indem das Ma gnetfeld und damit auch alle Magnetisierungen umgekehrt ge richtet und somit negativ sind. Das Widerstandssignal ist nun abhängig davon, von welchem der beiden Sättigungsbereiche man aus startet. Beginnt man im negativen Sättigungsbereich, so bleibt das Widerstandssignal auf seinem minimalen Wert bis zu einer positiven Feldstärke etwas unterhalb der positiven Ko erzitivfeldstärke der magnetisch weicheren Schichten. Die Ma gnetisierungen der weicheren Schichten werden nun gedreht, um das Signal steigt bis etwas oberhalb der Feldstärke auf sei nen maximalen Wert an. Nun sind die Magnetisierungen der ma gnetisch unterschiedlich harten Schichten antiparallel ge richtet, und das Widerstandssignal bleibt in einem Bereich zwischen den beiden positiven Koerzitivfeldstärken etwa kon stant. In einem Bereich um die positive Koerzitivfeldstärke der magnetisch härteren Schichten werden nun auch die Magne tisierungen der magnetisch härteren Schichten von dem Magnet feld aus ihrer ursprünglichen Richtung gedreht und bei einer Feldstärke oberhalb dieser Koerzitivfeldstärke wieder paral lel zum Magnetfeld und zu den Magnetisierungen der anderen Schichten gerichtet. In diesem positiven Sättigungsbereich ist das Widerstandssignal wiederum minimal. Startet man hin gegen im positiven Sättigungsbereich, so ergibt sich ein zu dem vorstehend beschriebenen Widerstandssignal spiegelsymme trisches Widerstandssignal, das seinen minimalen Wert bei einer negativen Feldstärke etwas oberhalb der negativen Koer zitivfeldstärke des magnetisch weicheren Materials und seinen maximalen Wert in einem Bereich zwischen den beiden negativen Koerzitivfeldstärken der beiden unterschiedlichen Materialien annimmt (vgl. EP-A-0 483 373).

Bei einem solchen Mehrschichtsystem mit GMR-Effekt vom zwei ten Grundtyp ist somit der spezifische Widerstand ρ abhängig von dem Winkel ϕ zwischen den Magnetisierungsrichtungen auf einanderfolgender ferromagnetischer Schichten. Dieser Wider stand kann in zwei Anteile zerlegt werden, einen vom Winkel ϕ unabhängigen Anteil ρ₀, der bei einer parallelen Ausrichtung der Magnetisierungen erhalten wird, und einen winkelabhängi gen Anteil Δρ. In empfindlichen Systemen beträgt Δρ typi scherweise 15 bis 30% von ρ₀. Es zeigt sich jedoch, daß so wohl ρ₀ wie auch in geringerem Umfang Δρ eine Abhängigkeit von der Betriebstemperatur T besitzen. So ist bei Raumtempe ratur T_a ρ₀, das von einem stark temperaturabhängigen Bei trag der Phononen geprägt ist, annähernd proportional zu T/T_a. Das bedeutet z. B., daß bei einer Temperaturerhöhung um 50°C über T_a sich eine Änderung von ρ₀ um etwa 17% ergibt. Eine solche Änderung ist für die meisten Anwendung uner wünscht. Andererseits ist die Temperaturabhängigkeit von Δρ materialabhängig, wobei sie für Fe größer ist als für Ni oder Co. Verglichen zu ρ₀ ist jedoch diese Abhängigkeit von Δρ, das im wesentlichen durch Streuungen an Gitterdefekten her vorgerufen wird, verhältnismäßig gering. Außerdem führen me chanische Verspannungen entsprechender Sensorelemente zu einer ρ₀-Änderung und könnten als Beitrag zu Δρ aufgefaßt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Sen soreinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahinge hend auszugestalten, daß ihre Temperaturabhängigkeit deutlich verringert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

a) Es ist eine Brückenschaltung mit vier paarweise zugeordne ten diagonalen Brückenelementen in zwei zwischen Anschluß punkten für den Strom parallelgeschalteten Brückenzweigen vorgesehen,
b) mindestens eines der Brückenelemente ist als das Sensor element mit großem magnetoresistiven Effekt ausgebildet,

und

c) die Empfindlichkeit mindestens eines der Brückenelemente bezüglich des äußeren Magnetfeldes ist verschiedene gegen über der Magnetfeldempfindlichkeit mindestens eines anderen Brückenelementes.

Die Erfindung geht davon von der Überlegung aus, daß mit einer Brückenschaltung eine Trennung der Summanden ρ₀ und Δρ des spezifischen Widerstands ρ derart möglich ist, daß eine Abhängigkeit der an den Meßpunkten der Brückenschaltung in der Mitte jedes Brückenzweiges abzunehmenden Meßspannung praktisch nur noch von Δρ besteht. Voraussetzung hierzu ist, daß sich das Brückenelement mit GMR-Effekt praktisch nur hin sichtlich dieses Summanden Δρ, der auf Streueffekte an Git terdefekten zurückzuführen ist, von mindestens einem anderen Element der Brücke unterscheidet. Da Δρ nur wenig tempera turabhängig ist, läßt sich so mit der Brückenschaltung vor teilhaft ein entsprechend temperaturkompensiertes Meßsignal in Abhängigkeit von dem äußeren Magnetfeld erhalten, das ge gebenenfalls auch bzgl. mechanischer Spannungen der Brücken elemente zumindest teilweise kompensiert ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Sensorein richtung gehen aus den sich dem Hauptanspruch unterordnenden Ansprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen jeweils schema tisch

Fig. 1 das Schaltbild einer Brückenschaltung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein einzelnes Sensorelement dieser Einrichtung,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung
und

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Einrichtung.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Für die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung wird vorteilhaft eine an sich bekannte Brückenschaltung vorgesehen, die aus Fig. 1 hervorgeht. Die gezeigte Brücke B enthält zwei Brückenzweige Z1 und Z2, die zwischen zwei Anschlußpunkten A1 und A2 der Brücke parallelgeschaltet sind. Über die Brücke B soll an den Anschlußpunkten A1 und A2 ein Strom I₀ geführt werden. Jeder der Brückenzweige Z1 und Z2 enthält zwei in Reihe geschaltete Brückenelemente E11 und E12 bzw. E21 und E22. Die Bezeichnungsweise der einzelnen Brückenelemente Eÿ (mit 1 i 2 und 1 j 2) ist dabei so gewählt, daß mit i der jeweilige Brückenzweig (Z1 oder Z2) und mit j die Elemen te innerhalb eines einzelnen Brückenzweigs in Stromführungs richtung durchnumeriert sind. Zwischen den beiden Elementen Ei1 und Ei2 jedes Brückenzweigs liegt je ein Meßpunkt P1 bzw. P2 der Brücke. An diesen Meßpunkten kann eine Meßspannung U_m abgenommen werden.

Erfindungsgemäß soll für die Brückenelemente Eÿ gelten, daß die Empfindlichkeit mindestens eines der Brückenelemente be züglich eines äußeren Magnetfeldes verschieden ist gegenüber der Magnetfeldempfindlichkeit von mindestens zwei anderen Brückenelementen. Nachfolgend seien diese Brückenelemente je weils paarweise einander zugeordnet. Hierbei ist allgemein außer Betracht zu bleiben, daß die Elemente E11 und E21 oder E11 und E12 ein erstes Paar und die Elemente E12 und E22 bzw. E21 und E22 ein zweites Paar mit jeweils gleicher Magnet feldempfindlichkeit bilden. Es ist also auszuschließen, daß die Elemente E11 und E21 eine erste Magnetfeldempfindlichkeit und die Elemente E12 und E22 eine zweite Magnetfeldempfind lichkeit aufweisen. Ebenso ist auszuschließen, daß die Ele mente E11 und E12 eine erste und die Elemente E21 und E22 eine zweite Magnetfeldempfindlichkeit besitzen. In diesen ge nannten Fällen ist der angestrebte Zweck einer Kompensation der Temperaturabhängigkeit und/oder mechanischen Spannungsab hängigkeit nicht zu erreichen.

Die Brückenelemente des betrachteten Ausführungsbeispieles bilden zwei Paare von in der Brücke diagonal zueinander ange ordneten, in verschiedenen Brückenzweigen liegenden Elemen ten, nämlich das Paar E11-E22 und das Paar E12-E21. Gemäß dem ausgewählten Ausführungsbeispiel sollen in einem der Paare, beispielsweise in dem Paar E12-E21 die Elemente gleiche Ma gnetfeldabhängigkeit bzw. -empfindlichkeit und damit gleichen Widerstand R in einem Magnetfeld haben. Die Magnetfeld abhängigkeit dieser Elemente kann auch praktisch Null sein, so daß es sich bei diesen Elementen dann um rein ohmsche Elemente handelt. Demgegenüber weisen die Elemente des ande ren Paares E11-E22 nur im feldfreien Fall, d. h. ohne äußeres Magnetfeld, einen gleichen Widerstand R_m auf. Dieser Wider stand soll sich bei vorhandenem Magnetfeld um einen Anteil ΔR_m ändern. Hierzu wird zumindest für eines der Elemente E11 oder E22 ein Sensorelement mit sehr großem magnetoresistiven Effekt (GMR) gewählt. Ein entsprechendes Sensorelement ist z. B. aus der eingangs genannten DE-OS-42 32 244 bekannt. Der prinzipielle Aufbau eines solchen Elementes ist in Fig. 2 veranschaulicht. Ein entsprechend aufgebautes Brückenelement, z. B. das Element E22, enthält ein auf einem Substrat 2 aufgebrachtes, für ein GMR-Element typisches Schichtpaket S1. Dieses Schichtpaket besitzt vorteilhaft als unterste Schicht eine hartmagnetische Schicht 3, eine darauf aufgebrachte, als Koppelschicht wirkende Zwischenschicht 4 sowie eine auf dieser abgeschiedene ferro- oder ferrimagnetische Schicht 5. Diese Schicht 5 stellt dabei eine Bias-Schicht mit im Meßbereich zumindest annähernd konstanter Magnetisierung in ihrer Schichtebene dar. Die Schichten 3 bis 5 bilden ein sogenanntes Bias-Schichtsystem S′. Statt des Bias-Schichtsy stems kann auch nur eine einzelne Bias-Schicht vorgesehen sein. Gemäß dem angenommenen Ausführungsbeispiel ist das Schichtsystem mit einer magnetisch wenigstens annähernd ent koppelnden Zwischenschicht 6 abgedeckt, auf der sich eine magnetfeldempfindliche Meßschicht 7 befindet. An dieser Meß schicht sind in der Figur nicht dargestellte Anschlußkontakte zum Führen des vorgesehenen Stromes I₀ über das Element angebracht. Dieser Aufbau des Schichtpaketes S1 kann noch min einer Schutzschicht überzogen sein.

Vorteilhaft kann der schichtförmige Aufbau des Sensorelemen tes mit großem magnetoresistiven Effekt auch als sogenanntes Multischichtensystem ausgeführt sein. Ein solches System zeichnet sich dadurch aus, daß es neben dem vorstehend erläu terten Schichtpaket noch weitere Schichten oder Schichtpakete enthält und gegebenenfalls eine Folge von periodisch wieder kehrenden Schichten besitzt.

Das dem vorstehend beschriebenen Sensorelement E22 mindestens eine zugeordnete Element aus dem gleichen oder dem anderen Elementenpaar (hier: E11) soll sich von dem Element E22 le diglich durch einen bestimmten Anteil Δρ des spezifischen Widerstandes ρ unterscheiden. Dabei soll es sich bei dem An teil Δρ zumindest um den auf Streuungseffekte an Gitterde fekten zurückzuführenden Anteil des spezifischen Widerstandes handeln. Für die Meßspannung U_m der Brücke B gemäß Fig. 1 gilt dann:

U_m = (ΔR_m + R_m -R)_*I₀/2
bzw. U_m = ΔR_m _* I₀/2, falls R_m = R.

D.h., für die angestrebte Trennung von ρ₀ und Δρ in ρ muß zum einen der Strom über die Brücke konstant gehalten werden. Außerdem müssen sich lediglich zwei Elemente der Brücke hin sichtlich Δρ unterscheiden, während die anderen Elemente gleich sind. So ist es insbesondere möglich, für die Brücke drei gleiche Elemente zu wählen und das vierte Element so auszugestalten, daß es hinsichtlich Δρ gegenüber den übrigen drei Elementen verschieden ist. Ein entsprechendes Aus führungsbeispiel zweier diagonaler Brückenelemente E11 und E22 mit unterschiedlichem Δρ bzw. ΔR ist aus Fig. 3 er sichtlich.

Gemäß dieser Fig. 3 weist das Brückenelement E22 einen Auf bau mit dem aus Fig. 2 ersichtlichen Schichtpaket S1 auf. Dieses Schichtpaket enthält darüber hinaus noch als oberste Schicht eine Schutzschicht 8. Zur Ausbildung des dazu diago nalen Brückenelementes E11 sind zwei sich weitgehend entspre chende Schichtpakete S1 und S2 aufeinandergestapelt. Dabei bleibt in diesem Element das Schichtpaket S1 magnetisch inak tiv und ist nur aus Gründen einer einfachen Herstellung der Brückenelemente vorhanden. Die laterale Geometrie des zweiten Schichtpaketes S2 braucht dabei nicht identisch mit der des darunterliegenden, ersten Schichtpaketes S1 zu sein. Zwischen beiden Schichtpaketen S1 und S2 befindet sich eine Isolator schicht 10. Die auf den obersten Meßschichten der Elemente E11 und E22 auf zubringenden Stromanschlußkontakte sind in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.

Bei der Gestaltung der Elemente E11 und E22 wird von der Überlegung ausgegangen, daß die Signalempfindlichkeit von R gegenüber R_m von GMR-Elementen im allgemeinen weitgehend un abhängig von der lateralen Geometrie dieser Elemente ist. Folglich lassen sich mit einem Schichtpaket, wie es z. B. den Aufbau des Paketes S1 hat, unterschiedliche Empfindlichkeiten von R und R_m nicht ohne weiteres realisieren. Der erwünschte Unterschied kann vorteilhaft mit zwei elektrisch getrennten, übereinanderliegenden Schichtpakete erhalten werden. In Fig. 3 ist die Realisierung eines entsprechenden Ausführungs beispieles in Planartechnik angedeutet. Dementsprechend wer den zunächst die Schichtpakete S1 vorzugsweise aller Brücken elemente, d. h. auch die der Elemente E12 und E21, erzeugt. Für die Elemente E12 und E21 können jedoch gegebenenfalls auch andere identische Elemente vorgesehen werden. In einem zweiten Schritt wird dann das Schichtpaket S2 allein für das Element E22 aufgebracht. Selbstverständlich ist es auch mög lich, daß man für alle Elemente einen Stapel von zwei Schichtpaketen S1 und S2 vorsieht und dann für ein einziges Element dessen zweites Schichtpaket S2 wieder entfernt. Dar über hinaus ist es auch möglich, zumindest für die Brücken elemente E11 und E22 einen Stapel von einer größeren Anzahl von Schichtpaketen vorzusehen, wobei für das Elementenpaar E11-E22 eine unterschiedliche Anzahl der Schichtpakete ge wählt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn alle Schichtpakete der Brückenelemente, zumindest aber jeweils ein Paar von Brücken elementen (hier: E12-E22 und E11-E21 oder E11-E12 und E21-E22) auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet werden. Dann ist nämlich zu gewährleisten, daß sich diese Brückenele mente zumindest weitgehend auf dem gleichen Temperaturniveau befinden, d. h. thermisch aneinandergekoppelt sind. Die tempe raturabhängigen Anteile ρ₀ des spezifischen Widerstandes ρ dieser Elemente gehen dann in die Meßspannung U_m praktisch nicht mehr ein. Durch geeignete Materialwahl für das gemein same Substrat ist gegebenenfalls zusätzlich noch zu errei chen, daß die Brückenelemente über das Substrat elastisch gekoppelt sind.

In Fig. 3 ist eine Möglichkeit zur Beeinflussung der Signal empfindlichkeit der einzelnen Brückenelemente unter Berück sichtigung einer Stapelung von Schichtpaketen angedeutet. Eine unterschiedliche Empfindlichkeit dieser Elemente läßt sich beispielsweise einfach über die Dicke einzelner sich entsprechender Schichten beeinflussen. D.h., die Maßnahmen zur Wahl unterschiedlicher Dicke können sich jeweils auf eine einzelne Schicht oder auf mehrere Schichten von Schichtpake ten gleichzeitig beziehen. Gemäß dem in der Figur dargestell ten Ausführungsbeispiel hat die Meßschicht 7 des Brückenele mentes E22 eine beispielsweise größere Dicke d₇ als die Meß schicht 7′ mit einer Dicke d₇′. Ebensogut könnten auch Bias- Schichten und/oder Koppelschichten mit unterschiedlichen Dicken vorgesehen werden. Im Extremfall könnte man z. B. in einem Brückenelement eines diagonalen Elementpaares mit un terschiedlicher Empfindlichkeit ganz auf die Meßschicht ver zichten oder diese starr mit dem Biassystem koppeln.

Statt der in Fig. 3 veranschaulichten Möglichkeit zur Beein flussung der Signalempfindlichkeiten der einzelnen Brücken elemente können hierfür auch andere Maßnahmen ergriffen wer den. So besteht als weitere Möglichkeit zur Beeinflussung von Δρ bzw. ΔR eine entgegengesetzte Magnetisierung entsprechen der Bias-Schichten. Solche entgegengesetzte Magnetisierungen führen nämlich zu entgegengesetzten Vorzeichen von Δρ. Ent sprechende Maßnahmen lassen sich selbstverständlich auch mit der in Fig. 3 aufgezeigten Möglichkeit einer Wahl unter schiedlicher Schichtdicken kombinieren. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel geht aus Fig. 4 hervor, wobei für sich entsprechende Bias-Schichten unterschiedliche Schichtdicken vorgesehen sind.

In dieser Figur ist ein Paar von Brückenelementen E21′-E11′ einer Brückenschaltung veranschaulicht, die sich hinsichtlich des Aufbaus der Bias-Schichtsysteme ihrer magnetfeldempfind lichen Schichtpakete unterscheiden. Das Brückenelement E21′ weist wiederum nur ein einziges Schichtpaket S1′ mit einer Schichtenfolge entsprechend S1 nach Fig. 2 auf. Seine hart magnetische Schicht 3 hat eine Dicke d₃ und eine vorbestimmte Ausrichtung der Magnetisierung M₃. Seine ferro- oder ferrima gnetische Schicht (Biasschicht) 5 habe eine Dicke d₅ und eine vorbestimmte Magnetisierung M₅. Das Brückenelement E11′ be sitzt ebenfalls das jedoch magnetisch inaktive Schichtpaket S1′, auf dem ein zweites Schichtpaket S2′ aufgebracht ist. Dieses zweite Schichtpaket S2′ unterscheidet sich von dem Schichtpaket S1′ durch die Dicke d₅′ seiner Biasschicht 5′ Die Magnetisierung dieser Biasschicht 5′ ist mit M′₅ bezeich net. Bei einem solchen unterschiedlichen Aufbau der Bias- Schichtsysteme von S1′ und S2′ der beiden Brückenelemente richtet sich das Vorzeichen von Δρ nach der Richtung der Ma gnetisierung in den an die Meßschichten 7 bzw. 7′ angrenzen den Schichten des jeweiligen Bias-Schichtsystems, d. h., nach den Magnetisierungen M₅ bzw. M₅′ der Biasschichten 5 bzw. 5′. Diese Magnetisierungsrichtungen M₅ bzw. M₅′ werden vorein gestellt mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes H₀. Eine entge gengesetzte Ausrichtung der Magnetisierungen in den Bias schichten ist z. B. möglich, indem man für das Brückenelement E11′ d₅′ _* M₅′ - d′₃_*M′₃ < 0 und für das Gegenstück des Schichtpaketes S1′ von Element E21′ d₅_*M₅ - d₃ _* M₃ < 0 wählt während der Einstellung. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist dies aufgrund der unter schiedlichen Dicken d₅ bzw. d₅′ gewährleistet. Die resultie renden, entgegengesetzten Magnetisierungen M₅ und M₅′ der Biasschichten 5 bzw. 5′ sind dabei in der Figur mit Pfeilen veranschaulicht. Die Gesamtwiderstände R_m′ = R₁ und R′ = R₂ in der Brückenschaltung gemäß Fig. 1 sind dann gegeben durch:

R_m′ = R₁ = R₁′ + ΔR₁, R′ = R₂ = R₂′ - ΔR₂
mit R₁′ = R₂′ und ΔR₁ ≅ ΔR₂.

Für die Spannung U_m an den Meßpunkten der Brückenschaltung folgt dann:

U_m ≅ ΔR₁_*I₀.

D.h., die Spannung hat sich bei einer Ausführungsform nach Fig. 4 gegenüber der nach Fig. 3 verdoppelt.

Neben der anhand von Fig. 4 aufgezeigten Möglichkeit, unter schiedliche Brückenelemente durch unterschiedlich ausgerich tete Magnetisierungen in ihren Schichtsystemen zu erhalten, bestehen noch weitere Möglichkeiten: So kann man z. B. Bias schichten mit unterschiedlicher Koerzitivfeldstärke H_c vorse hen, wobei beispielsweise im Brückenelement E11′ das H_c sei ner Biasschicht des aktiven Schichtensystems S2′ größer ist als im Brückenelement E21′, während in letzterem Element die Koerzitivfeldstärke H_c von der hartmagnetischen Schicht grö ßer gewählt wird als für die entsprechende Schicht von Ele ment E11′. Auch ist es auf ähnliche Weise möglich, unter schiedliche Vorzugsachsen und Anisotropien auf zuprägen und für diesen Zweck auszunutzen. Darüber hinaus kann man auch Schichten mit Materialien einsetzen, die sich hinsichtlich ihrer Curie-Temperaturen unterscheiden.

Eine weitere Möglichkeit, zwei Brückenelemente mit Magnet feldempfindlichkeiten unterschiedlichen Vorzeichens zu erhal ten, besteht auch darin, daß man das eine Brückenelement (beispielsweise das Element E11′), wie vorstehend erläutert, als ein Sensorelement mit großem magnetoresistiven Effekt ausbildet, während man das ihm zugeordnete Brückenelement (E21′) mit anderem Vorzeichen der Magnetfeldempfindlichkeit als ein Sensorelement mit großem inversen magnetoresistiven Effekt gestaltet. Derartige Elemente sind z. B. aus "Phys. Rev. Lett.", Vol. 72, No. 3, Jan. 1994, Seiten 408 bis 411 bekannt. Sie zeichnen sich dadurch aus, daß bei paralleler Ausrichtung der Magnetisierung in benachbarten Schichten der Widerstand gerade am größten ist.

Bei den vorstehend anhand der Fig. 1 bis 4 erläuterten Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, daß zwei be trachtete Brückenelemente, beispielsweise die Elemente E11 und E22 oder E11′ und E21′, unterschiedliche Magnetfeldemp findlichkeiten aufweisen. Besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine große Signalspannung U_m (vgl. Fig. 1) ist es, wenn jedes der beiden Brückenelementpaare von zwei Elementen gleicher Magnetfeldempfindlichkeit gebildet wird, aber die Brückenelemente des ersten Paares gegenüber den Brücken elementen des zweiten Paares verschieden sind. Gemäß Fig. 1 hätten beispielsweise dementsprechend die Elemente E11 und E22 eine erste, z. B. positive Magnetfeldempfindlichkeit und die anderen Elemente E12 und E21 eine zweite, dann negative Magnetfeldempfindlichkeit.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde ferner von Bias-Schichtsystemen mit zwei Magnetschichten (vgl. die Schichten 3 und 5 gemäß Fig. 2) ausgegangen. Selbstverständ lich sind auch periodische Anordnungen mit wenigstens drei Ma gnetschichten pro Bias-Schichtsystem einsetzbar. Auch für diese Systeme lassen sich analoge Maßnahmen ergreifen. Z.B. könnte dann für die Bias-Schichtsysteme des Elementes E11′ und E21′ gelten:

d_x _* M_x - d_y _* M_y + d_z _* M_z < 0 (für S1 von E11′) bzw.
d_x _* M_x - d_y _* M_y + d_z _* M_z < 0 (für S2 von E21′).

Dabei sind mit x, y, z die einzelnen übereinander angeordne ten Magnetschichten der Schichtsysteme, von unten nach oben betrachtet, gekennzeichnet.

Zur Verschaltung der einzelnen Brückenelemente zu einer Brückenschaltung gemäß Fig. 1 wird jedes Element mit seinem mindestens einen GMR-Schichtsystem mit wenigstens zwei Kon takten versehen. Diese Kontakte werden entweder beide, wie bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen angenommen, auf der obersten Meßschicht des entsprechenden magnetfeldempfind lichen Schichtsystems angeordnet, so daß der Strom I₀ im Mit tel parallel zu den Schichtebenen fließt (sogenanntes "Current-in-Plane(CIP)-System"); oder es wird jeweils ein Kontakt auf der obersten und auf der untersten Schicht ange ordnet, so daß dann der Strom I₀ im Mittel senkrecht zu den Schichtebenen fließt (sogenanntes "Current-Perpendicular-to- Planes(CPP)-System"). Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind auch nicht nur für die vorgehend erwähnten CIP- und CPP-Sy steme anwendbar. Ebenso lassen sich Magnetowiderstand-Tun nelsysteme einsetzen.

Statt der für die Ausführungsbeispiele angenommenen Sensor elemente (E11, E11′, E22, E21′) großen magnetoresistiven Ef fektes mit schichtförmigen Aufbau sind ebensogut auch Typen mit einem sogenannten granularen Aufbau geeignet. Entspre chende Elemente sind beispielsweise aus "Phys. Rev. Lett.", Vol. 71, No. 14, 1993, Seiten 2331 bis 2333 oder Vol. 68, No. 25, 1992, Seiten 3745 bis 3752 bekannt.

Claims

1. Sensoreinrichtung zur Erfassung eines äußeren Magnetfeldes mit einem einen sehr großen magnetoresistiven Effekt (GMR) zeigenden Sensorelement und mit Mitteln zum Führen eines vor gegebenen Stromes über die Einrichtung gekenn zeichnet durch folgende Merkmale:

a) Es ist eine Brückenschaltung (B) mit vier paarweise zuge ordneten diagonalen Brückenelementen (Eÿ) in zwei zwischen Anschlußpunkten (A1, A2) für den Strom (I₀) parallelge schalteten Brückenzweigen (Z1, Z2) vorgesehen,
b) mindestens eines der Brückenelemente (E11, E11′) ist als das Sensorelement mit großem magnetoresistiven Effekt aus gebildet,

und

c) die Empfindlichkeit mindestens eines der Brückenelemente (E11, E11′) bezüglich des äußeren Magnetfeldes ist ver schieden gegenüber der Magnetfeldempfindlichkeit anderer Brückenelemente (E22, E21′).

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das mindestens eine Brücken element (E11, E11′, E22, E21′) mit großem magnetoresistiven Effekt einen schichtförmigen Aufbau hat.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß das mindestens eine Brücken element mit großem magnetoresistivem Effekt ein Schichtpaket (S1, S1′, S2, S2′) aufweist mit einer magnetfeldempfindlichen Meßschicht und mit mindestens einer von der Meßschicht magne tisch zumindest weitgehend entkoppelten Biasschicht.

4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Biasschicht (5, 5′) Teil eines Biasschichtensystems (S′) ist, in dem benachbarte Ma gnetschichten über eine zwischen ihnen angeordnete Zwischen schicht antiferromagnetisch gekoppelt sind.

5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das min destens eine Brückenelement mit großem magnetoresistiven Ef fekt als ein Multischichtensystem gestaltet ist.

6. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mindestens zwei Brücken elemente, deren Magnetfeldempfindlichkeiten verschiedene Vor zeichen haben.

7. Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die diagonalen Brückenelemen te (E11, E22) des einen Paares an Brückenelementen eine posi tive Magnetfeldempfindlichkeit und die diagonalen Brückenele mente (E12, E21) des anderen Paares eine negative Magnetfeld empfindlichkeit besitzen.

8. Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß zwei diagonale Brückenelemen te (E11, E22 oder E11′, E21′) Magnetfeldempfindlichkeiten mit unterschiedlichem Vorzeichen besitzen.

9. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenelemente mit Magnetfeldempfindlichkeiten unterschied lichen Vorzeichens Biasschichten mit verschiedenen Magneti sierungsrichtungen aufweisen.

10. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß von zwei Brückenelementen mit Magnetfeldempfindlichkeiten unterschied lichen Vorzeichens eines als Sensorelement mit großem magne toresistiven Effekt und das andere als Sensorelement mit in versem großem magnetoresistiven Effekt gestaltet sind.

11. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß minde stens zwei diagonale Brückenelemente (E12, E21) eine zumin dest weitgehend gleiche Magnetfeldempfindlichkeit aufweisen.

12. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei dia gonale Brückenelemente (E11, E22; E11′, E22′) unterschiedli cher Magnetfeldempfindlichkeit GMR-Schichtpakete (S1, S2; S1′, S2′) aufweisen, die sich zumindest bezüglich einer ihrer einander entsprechenden magnetischen Schichten unterscheiden.

13. Sensoreinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden diagonalen Brückenelemente (E11, E22; E11′, E21′) unterschiedlicher Ma gnetfeldempfindlichkeit mindestens zwei sich entsprechende Schichten (5, 5′; 7, 7′) mit unterschiedlichen verschiedenen Dicken (d₅, d₅′; d₇, d₇′) aufweisen.

14. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß alle Brückenelemente auf einem gemeinsamen Substrat (2) angeordnet sind.

15. Sensoreinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenelemente (E11, E22; E11′, E21′) mittels des Substrates (2) thermisch und ge gebenenfalls elastisch gekoppelt sind.